新製品開発の相談で製品寿命を左右する部品劣化を評価する5つの方法

新製品開発では、機能や性能を満たすだけでなく、長期間にわたって安定して使用できる製品を設計することが重要です。開発初期の試作品が正常に動作していても、時間の経過とともに部品が摩耗したり、材料が変質したり、電子部品の特性が変化したりする可能性があります。こうした劣化を十分に考慮せず量産へ進むと、市場投入後に想定より早く不具合が発生し、修理や設計変更が必要になることがあります。

特に、屋外で使用する機器、繰り返し動作する装置、温度変化の大きい環境で使用する製品では、部品の劣化が製品全体の寿命に影響します。しかし、すべての部品を同じ方法で評価できるわけではありません。金属部品、樹脂部品、電子部品、接着部、可動機構では、劣化の原因も適切な評価方法も異なります。

そのため、新製品開発の相談では、単に耐久試験を実施するのではなく、使用環境と想定される故障メカニズムを整理し、必要な試験を組み合わせることが大切です。

本記事では、製品寿命を左右する部品劣化を評価する5つの方法を解説します。温度、機械的負荷、湿度や腐食、電気的ストレス、実使用環境という観点から、試験条件の決め方や評価結果の活用方法まで紹介します。新製品開発を外部へ相談する際の準備にも役立つ内容です。

製品寿命を左右する部品劣化を開発初期に把握する重要性

製品寿命とは、製品が要求される機能や性能を維持し、所定の条件下で使用できる期間を指します。ただし、製品寿命の定義は用途によって異なります。完全に動作しなくなる時点を寿命とする場合もあれば、測定精度の低下、操作力の増加、外観の変化などが許容範囲を超えた時点を寿命と判断する場合もあります。

例えば、屋外に設置する計測機器では、内部の電子回路が正常でも、筐体のシール材が硬化して防水性能が低下すれば、使用継続に支障が生じる可能性があります。繰り返し動作する機械では、モーターが正常でも、軸受や樹脂製の摺動部品が摩耗することで位置決め精度が悪化することがあります。

このように、製品全体の寿命は、一つの部品の故障だけでなく、複数の部品の劣化や相互作用によって決まる場合があります。

新製品開発で重要なのは、製品に使われているすべての部品を同じ強度で評価することではありません。まず、故障した場合の影響が大きい部品、劣化が進みやすい部品、交換しにくい部品を特定し、優先順位を決めることが現実的です。

例えば、筐体内部の小さなシール材が劣化した場合でも、浸水によって電子回路全体に影響が及ぶ可能性があります。一方、容易に交換できる外装部品では、交換を前提とした寿命設計が適切なこともあります。

部品の重要度を整理する際には、故障の発生可能性だけでなく、故障時の影響、異常の発見しやすさ、修理の難しさなどを合わせて検討します。重大な安全上の問題につながる部品については、通常の耐久性評価とは別に、適用される安全要求や故障時の保護機能も確認する必要があります。

また、想定寿命と実使用条件を明確にすることも欠かせません。同じ製品でも、室内で短時間使用する場合と、屋外で常時稼働させる場合では、受ける負荷が大きく異なります。

温度、湿度、振動、通電時間、操作回数、保管条件などを具体化すると、部品劣化を評価するための試験条件を設定しやすくなります。

新製品開発の相談段階でこれらの条件を共有しておけば、設計者と評価担当者の認識を合わせやすくなり、試作品の完成後に必要な試験を追加する手戻りを減らすことにつながります。

方法1：温度負荷と加速劣化試験で材料の変化を評価する

部品劣化を評価する代表的な方法の一つが、温度負荷を利用した試験です。

製品に使用される樹脂、ゴム、接着剤、電子部品などは、温度の影響を受けて物理的・化学的な性質が変化する場合があります。高温状態では、一部の材料で酸化や化学反応による劣化が進みやすくなります。また、温度変化によって材料が膨張と収縮を繰り返すと、接合部に応力が発生することがあります。

例えば、樹脂製の固定部品では、長期間の高温環境によって変形や強度低下が生じる可能性があります。ゴム製のシール材では、硬化や弾性低下が進むと、密封性能が変化することがあります。接着部では、接着剤自体の劣化に加え、異なる材料間の熱膨張差が剥離につながる場合もあります。

こうした変化を確認するために、高温保持試験や温度サイクル試験を実施します。

高温保持試験では、対象部品を設定した温度環境に一定期間置き、試験前後の状態を比較します。樹脂部品であれば寸法、外観、硬さ、機械的強度などを確認し、接着部であれば接合強度の変化を調べます。シール材では、圧縮後の復元性や密封機能に関係する特性を評価することがあります。

一方、温度サイクル試験では、高温と低温の状態を繰り返し与えます。この試験は、材料の熱膨張差による応力、接合部の疲労、封止部分の損傷などを確認する目的で利用されます。

ただし、高温保持試験と温度サイクル試験は、評価する劣化メカニズムが異なります。高温状態で問題がなかったからといって、温度変化を繰り返した際にも問題が生じないとは限りません。

さらに、短期間で長期使用時の変化を調べる手段として、加速劣化試験があります。加速劣化試験とは、想定使用条件よりも高い負荷を与え、劣化現象を短期間で観察しようとする試験です。

例えば、熱による化学反応が支配的な劣化では、反応速度と温度の関係を用いて、異なる温度条件での劣化速度を比較できる場合があります。

しかし、試験温度を高くすれば、必ず実使用時の寿命を正しく推定できるわけではありません。過度な温度負荷を与えると、実際の使用環境では起こりにくい変形や材料変質が発生する可能性があります。劣化メカニズムが変わってしまうと、試験結果から実使用寿命を推定することが難しくなります。

そのため、加速劣化試験では、材料の使用温度範囲、予想される劣化反応、試験温度の妥当性を確認することが重要です。寿命を数値として推定する場合は、加速モデルの適用条件や推定に伴う不確かさも検討する必要があります。

新製品開発を相談する際には、製品の最高使用温度だけでなく、通常の使用温度、保管温度、急激な温度変化の有無を共有すると、評価条件を設計しやすくなります。

また、試験後に外観だけを確認するのではなく、製品の機能に直接関係する特性を測定することが大切です。例えば、固定部品であれば保持力、シール材であれば密封性能、接着部であれば接合強度というように、実際の使用目的に対応した評価指標を選びます。

方法2：繰り返し荷重と動作試験で摩耗・疲労を評価する

繰り返し動作する製品では、機械的な負荷による部品劣化が製品寿命を左右することがあります。

代表的な劣化現象として、摩耗、疲労、変形、緩み、き裂の発生などがあります。これらは一度の動作では問題にならなくても、長期間の繰り返し使用によって進行する場合があります。

例えば、開閉機構を備えた製品では、ヒンジや軸受に繰り返し荷重が加わります。摺動機構を備えた装置では、接触面が擦れることで摩耗が進むことがあります。また、樹脂製の爪や薄い金属ばねなどでは、繰り返し変形が疲労損傷につながる可能性があります。

このような部品を評価する方法が、繰り返し荷重試験や連続動作試験です。

繰り返し荷重試験では、実際の使用時に想定される荷重や変位を部品に繰り返し与え、損傷の発生や性能変化を確認します。連続動作試験では、製品の機構を実際に動かし、動作回数に伴う変化を観察します。

重要なのは、単に何回動作したかを記録することではありません。

動作回数に対して、摩耗量、操作力、摩擦抵抗、位置決め精度、異音、温度上昇などがどのように変化したかを確認することで、劣化の進行を把握しやすくなります。

例えば、直動機構では、試験開始時と一定回数動作後の位置決め精度を比較します。駆動電流や動作時間が徐々に増加している場合、摩擦抵抗の増加や機構の状態変化が疑われることがあります。ただし、電流の変化だけで摩耗を断定することはできないため、機械的な測定や分解確認と組み合わせて原因を調べます。

また、機械的な劣化は、荷重の大きさだけでなく、動作速度、摺動距離、接触圧力、材料の組み合わせ、潤滑状態などにも影響されます。

試験を短期間で終わらせるために動作速度を大きく上げると、発熱や潤滑状態が実使用時と変わり、異なる摩耗現象が発生する場合があります。したがって、高速動作による耐久試験では、試験条件が実際の劣化メカニズムを再現しているかを確認する必要があります。

疲労評価でも同様です。部品に繰り返し応力が加わる場合、応力の大きさ、平均応力、繰り返し回数、材料特性などが寿命に関係します。単純な繰り返し回数だけでは判断できず、使用中に発生する荷重の種類と大きさを把握することが大切です。

特に注意したいのが、通常使用時の負荷と例外的に発生する負荷の違いです。

例えば、操作機構では通常の操作力だけでなく、利用者が想定以上の力を加える場合も考えられます。ただし、異常な負荷を無制限に想定すると評価条件が過大になるため、製品仕様、使用状況、安全要求に基づいて試験範囲を決めます。

新製品開発の相談では、1日当たりの想定動作回数、使用年数、最大荷重、動作速度、使用環境などを共有しておくと、評価計画を具体化できます。

さらに、摩耗や疲労が進んだ部品を交換できる構造にするか、製品寿命まで交換不要な構造を目指すかによっても、設計方針は変わります。

部品の耐久性を評価すると同時に、保守性や交換の容易さも検討することで、製品全体として合理的な寿命設計につなげられます。

方法3：湿度・腐食・紫外線による材料劣化を評価する

屋外機器や湿気の多い環境で使用する製品では、温度や機械的負荷だけでなく、水分、腐食性物質、紫外線などによる劣化にも注意が必要です。

これらの影響は、部品単体の強度低下だけでなく、製品の外観、密封性、電気的絶縁性、接合部の信頼性などに関係します。

例えば、金属部品では、水分や腐食性物質の影響によって腐食が進行することがあります。樹脂部品では、紫外線や水分、温度などの条件によって変色、表面劣化、強度変化が生じる場合があります。また、接着剤やシール材では、水分の吸収や化学的な変化によって性能が低下する可能性があります。

湿度による劣化を調べる方法としては、高温高湿試験や結露条件を考慮した試験などがあります。

高温高湿試験では、温度と湿度を管理した環境に部品や製品を置き、一定期間後の状態を確認します。電子回路を含む製品では、絶縁抵抗の変化、金属部分の腐食、材料の吸湿、接合部の状態などを評価することがあります。

ただし、高温高湿試験を実施しただけで、製品の防水性能が確認できるわけではありません。

防水性は、製品の構造、シール方法、使用時の水圧、浸水経路などにも左右されます。そのため、水滴、降雨、噴流水、浸水など、想定される使用状況に応じた別の評価が必要になる場合があります。

金属部品の腐食を評価する際には、塩分を含む環境を利用した試験が選択されることもあります。

塩水噴霧試験などは、材料や表面処理の仕様に応じて、腐食の発生状況や被覆の欠陥、同一仕様における品質の安定性を確認する目的で利用されます。ただし、異なる材料や表面処理の長期耐食性を実使用環境における寿命として単純に順位付けする用途には適さない場合があります。試験結果の解釈には、対象材料、試験方法、製品仕様との対応を確認する必要があります。

また、試験時間をそのまま屋外使用年数へ換算できるとは限りません。実際の腐食速度は、濡れている時間、乾燥の繰り返し、温度、塩分の付着状況、異種金属の接触状態などによって変わるためです。

表面に腐食が見られた場合も、それが直ちに機能不良を意味するとは限りません。外観上の変化なのか、強度や導電性、密封性に影響する変化なのかを区別する必要があります。

紫外線による劣化を評価する場合は、人工光源を用いた耐候性試験などが考えられます。

樹脂製の筐体や透明部品では、変色、光沢低下、透過率の変化、表面のひび割れなどが評価対象になります。屋外で使用する製品の場合、光照射と温度や湿度の変化を組み合わせて確認することもあります。

ただし、人工光源の波長分布や照射強度が実際の日射条件と異なる場合、材料の劣化状態も変わる可能性があります。使用する材料に対して適切な試験条件を選ぶことが重要です。

化学薬品に接触する可能性がある製品では、洗浄剤、油、溶剤、その他の使用環境に存在する物質との適合性も検討します。樹脂やゴムでは、接触する物質によって膨潤、硬化、軟化、ひび割れなどが起こる場合があります。

新製品開発を相談する段階では、屋内用か屋外用かという大まかな区分だけでなく、雨水への接触、結露、海岸付近での使用、洗浄頻度、日光への露出などを具体的に伝えることが望ましいです。

使用環境を詳細に整理することで、過剰な試験を避けながら、重要な劣化要因を見落としにくくなります。

方法4：通電試験と電気特性の測定で電子部品の劣化を評価する

電子回路を搭載した新製品では、電子部品や接続部の劣化が製品寿命に影響します。

電子部品は、外観に変化が見られなくても、内部の材料や構造の変化によって電気特性が変動することがあります。

例えば、コンデンサでは、部品の種類や使用条件によって容量、内部抵抗、漏れ電流などが変化する場合があります。接点やコネクタでは、腐食、摩耗、接触圧力の低下などにより接触抵抗が増加する可能性があります。また、半導体部品では、温度や電気的ストレスなどの影響を受け、特性が変化する劣化メカニズムが存在します。

こうした変化を調べるために、通電試験や電気特性の経時測定を実施します。

通電試験では、対象となる回路や部品に所定の電圧や電流を与え、一定期間の動作状態を確認します。試験中には、温度、消費電流、出力電圧、信号品質、動作異常などを記録することがあります。

重要なのは、製品が通電し続けたという事実だけでなく、特性がどの程度変化したかを確認することです。

例えば、計測装置では、長期間の通電によって出力のずれや測定精度の変化が発生していないかを調べます。電源回路では、出力電圧の安定性やリップルなどが評価対象になる場合があります。通信回路では、所定の条件下での通信品質やエラー発生状況を確認することが考えられます。

また、電子部品の劣化には温度が関係する場合が多いため、通電状態での内部温度を把握することも大切です。

製品内部では、周囲温度に加えて部品自身の発熱が発生します。筐体が密閉されている場合や放熱経路が限られている場合には、特定の部品の温度が高くなることがあります。

そのため、周囲温度だけを管理するのではなく、必要に応じて重要部品の温度や放熱状態を測定します。

一方、電源の入り切りを繰り返す製品では、連続通電とは異なる負荷が発生します。起動時の電流変化や温度変動、接続部への負荷などが問題になることもあるため、電源投入と停止を繰り返す試験が有効な場合があります。

コネクタやスイッチなどの接点部品については、電気的な負荷と機械的な動作の両方を考慮する必要があります。

単純な導通確認では異常が見つからなくても、振動や温度変化を受けた際に接触状態が不安定になる可能性があります。こうした場合には、通電状態での動作確認や接触抵抗の測定などを組み合わせます。

充放電を繰り返す蓄電部品を搭載した製品では、容量の変化、内部抵抗、充放電条件、温度なども重要な評価対象になります。ただし、蓄電部品は化学系や構造によって適切な評価条件が異なり、過度な電気的・熱的負荷には安全上のリスクがあるため、部品仕様と安全要求に沿って試験を設計する必要があります。

新製品開発の相談では、使用電圧や平均消費電力だけでなく、最大負荷、起動頻度、通電時間、待機時間、使用温度なども共有しておくことが重要です。

電子部品の劣化評価では、回路設計、放熱設計、機構設計が相互に関係することがあります。設計分野ごとに独立して判断するのではなく、製品全体の構造を踏まえて評価すると、劣化の原因を特定しやすくなります。

方法5：実使用環境を再現した複合試験で製品寿命を検証する

ここまで紹介した温度、機械的負荷、湿度、腐食、電気的ストレスの評価は、個々の劣化要因を把握するうえで重要です。

しかし、実際の製品は複数の環境負荷を同時に受けることがあります。

例えば、屋外に設置された機器では、昼夜の温度変化、雨水や湿気、日射、振動、通電による発熱などが重なります。移動体に搭載される装置では、振動を受けながら通電し、周囲温度が変化することもあります。

このような使用条件を考慮する方法が、複合環境試験や実使用環境での評価です。

複合環境試験では、複数の負荷を組み合わせ、製品全体の機能や耐久性を確認します。

例えば、通電状態で温度変化を与える試験では、部品の熱膨張差と電気的な動作状態を同時に評価できます。また、振動を受ける装置では、通電中の接続不良や機構部の異常を確認することで、停止状態の振動試験では見つけにくい問題を発見できる場合があります。

ただし、複数の負荷を組み合わせれば、常に実使用環境を正しく再現できるわけではありません。

負荷の順序、強度、継続時間によって劣化の進み方が変わることがあるため、想定される使用履歴との対応を確認する必要があります。

例えば、高温状態で長時間保持した後に強い振動を与える条件と、温度変化と振動を同時に与える条件では、部品に生じる応力や損傷が異なる可能性があります。

そのため、複合試験を計画する際には、まず単独試験で主要な劣化要因を把握し、必要に応じて負荷の組み合わせを検討する方法が考えられます。

さらに重要なのが、実使用環境での試験です。

試作品を実際の使用場所に設置し、一定期間の動作状況や劣化状態を観察することで、設計段階では把握しきれなかった負荷を発見できる場合があります。

例えば、屋外機器では、設置方向による日射条件の違い、局所的な水の滞留、設置部の振動、利用者の操作方法などが影響することがあります。

実使用環境での評価では、製品の動作結果だけでなく、設置条件や周囲環境を記録することが大切です。

同じ不具合が発生しても、設置場所や使用頻度が異なれば、原因も異なる可能性があります。写真、点検日、設置位置、使用期間、動作履歴、交換した部品の状態などを関連付けることで、劣化と使用条件の関係を分析しやすくなります。

ただし、短期間の現場試験で問題が発生しなかったからといって、目標とする製品寿命が保証されるわけではありません。

実使用環境での試験は、加速劣化試験や設計上の検討を補完するものとして位置付けることが重要です。

新製品開発の相談では、試験室での評価だけでなく、試作品を使用する現場や評価期間、点検方法についても検討しておくと、実用性を確認しやすくなります。

部品劣化の評価結果を設計改善につなげる方法

部品劣化を評価する目的は、試験を実施すること自体ではありません。評価結果を分析し、製品寿命に影響する問題を把握して、設計改善につなげることが重要です。

そのためには、試験開始前に評価項目と判定基準を決めておく必要があります。

例えば、樹脂部品の評価では、外観上の変化だけでなく、寸法変化や保持力の低下が製品機能にどの程度影響するかを検討します。摺動部品では、摩耗量だけでなく、位置決め精度や操作力が許容範囲に収まっているかを確認します。

電子回路では、部品の特性変化が回路全体の動作余裕に与える影響を評価することが大切です。

ここで注意したいのが、劣化の発生と製品寿命の到達を区別することです。

使用開始後に何らかの変化が発生することは、多くの部品で想定されます。しかし、その変化が製品の要求性能を満たす範囲であれば、直ちに寿命に達したとは限りません。

逆に、外観上は問題がなくても、安全性や機能に関わる性能が許容範囲から外れた場合には、寿命に達したと判断すべき場合があります。

したがって、設計段階では、部品ごとの劣化指標と製品全体の要求性能を関連付けることが重要です。

また、試験結果にばらつきが見られた場合には、その原因を確認します。

同じ設計の部品でも、材料ロット、加工条件、組立状態、個体差などによって劣化の進み方が異なる可能性があります。試験対象が少数の場合、偶然ばらつきの小さい個体だけを評価してしまうことも考えられます。

そのため、必要に応じて複数の試験体を用意し、個体差や製造ばらつきを確認します。試験体数は、故障の重大性、要求信頼性、試験目的、許容できる不確かさなどを踏まえて設定します。

寿命データを統計的に分析する場合には、故障までの時間や動作回数の分布を調べる方法があります。ただし、試験期間中に故障しなかった部品の情報も適切に扱い、限られたデータから過度に確定的な結論を出さないことが重要です。

設計改善では、単に部品を高強度のものへ変更するだけでは不十分な場合があります。

例えば、軸受の摩耗が発生した場合、材料の変更だけでなく、荷重のかかり方、軸の位置精度、潤滑状態、異物の侵入経路などを見直す必要があります。

シール材の劣化によって浸水が発生した場合も、材料の耐候性だけでなく、圧縮量、組付け状態、接触面の精度、排水構造などが関係する可能性があります。

電子部品の温度上昇が問題となった場合には、部品の定格だけでなく、放熱経路、基板配置、筐体内部の空間、周辺部品の発熱なども検討対象になります。

このように、劣化の発生箇所と根本原因が必ずしも一致するわけではありません。

評価結果を設計改善につなげるには、不具合現象を記録し、原因を仮説として整理したうえで、必要な追加測定や再現試験を実施することが大切です。

設計変更後には、問題が改善されたことを確認するとともに、新しい部品や構造によって別の不具合が発生していないかも確認します。

新製品開発の相談前に整理したい評価条件と必要資料

新製品開発を外部の開発会社や技術者へ相談する際には、製品寿命に関する要求条件を整理しておくと、評価内容を具体化しやすくなります。

まず明確にしたいのは、製品の使用目的と想定寿命です。

例えば、一定期間の連続稼働を想定する装置なのか、必要なときだけ使用する機器なのかによって、部品が受ける負荷は異なります。

同じ年数の使用を目標としていても、連続通電する製品と短時間の断続使用を前提とする製品では、評価すべき項目が変わります。

次に、使用環境を整理します。

屋内か屋外か、温度変化が大きいか、湿気や水に接触するか、振動や衝撃を受けるかなどの情報は、試験計画を決めるうえで重要です。

製品の設置場所が固定される場合は、設置方向、周囲設備との位置関係、日射や雨水の影響なども検討します。

また、製品の構造や使用部品に関する資料があれば、相談時に共有することが望ましいです。

構想段階であれば、製品の使用イメージや基本機能を示した資料でも役立ちます。設計が進んでいる場合には、部品構成、材料、寸法、組立方法、電子回路の仕様などを共有することで、劣化が問題となりやすい部分を検討しやすくなります。

特に、異なる材料を接合する部分、繰り返し動作する機構、防水構造、発熱部品の周辺などは、評価上の重要箇所になることがあります。

さらに、故障時の影響についても整理します。

機能が停止しても容易に復旧できる製品と、故障が安全上の重大な問題につながる製品では、求められる設計上の対策や評価の厳しさが異なります。

安全性に関わる場合には、単なる寿命試験だけでなく、故障を想定した保護機能や異常検知の方法も検討する必要があります。

相談の際には、評価の目的を具体的に伝えることも大切です。

例えば、材料候補を比較したいのか、設計した機構の耐久性を確認したいのか、量産前の信頼性を検証したいのかによって、適切な試験方法は変わります。

材料比較が目的であれば、対象材料に適した試験方法を選び、比較可能な条件で評価する方法が考えられます。一方、製品寿命の検証が目的であれば、部品単体だけでなく、組立後の製品全体を対象とした評価が必要になる場合があります。

開発スケジュールとの関係も重要です。

寿命評価には一定の試験期間が必要になることがあるため、試作品が完成してから初めて評価方法を検討すると、開発計画に影響する可能性があります。

開発初期に劣化リスクを整理し、部品選定段階で必要な基礎試験を行い、設計が固まった段階で製品全体の評価を進めるなど、段階的な計画が有効です。

外部へ新製品開発を相談する場合は、設計、試作、評価、改善の各工程をどのように進めるか、試験設備や外部評価機関をどの段階で利用するかについても確認するとよいでしょう。

製品寿命の評価で見落としやすい注意点

製品寿命の評価では、試験条件や測定方法を適切に設定していても、結果の解釈を誤ると設計判断に影響することがあります。

特に注意したいのが、部品単体の寿命と製品全体の寿命を混同しないことです。

例えば、部品単体の耐久試験で十分な性能が確認できていても、製品に組み込んだ状態では負荷条件が変わる場合があります。

取付け位置のずれ、締結力の違い、周辺部品から伝わる熱、組立時に生じる残留応力などが、劣化の進行に影響することがあります。

そのため、重要部品については、単体試験と組立状態での評価を必要に応じて組み合わせることが大切です。

また、試験で使用した部品と量産品の違いにも注意が必要です。

試作品では手作業による調整が行われていても、量産工程では加工方法や組立条件が変わることがあります。材料仕様が同じでも、製造条件の違いによって部品特性にばらつきが生じる可能性があります。

そのため、試作段階で得られた寿命評価の結果が、量産品にもそのまま当てはまるとは限りません。量産条件に近い試作品を用いた確認や、必要な工程管理を検討することが重要です。

さらに、試験の合否だけで評価を終わらせないことも大切です。

合格した部品でも、評価値が許容限界に近づいている場合には、使用環境や製造ばらつきによって不具合が発生する可能性があります。

一方、試験で不合格となった場合でも、試験条件が実使用条件に対して過大であったり、想定と異なる劣化メカニズムが発生していたりする可能性があります。

試験結果は合否だけでなく、測定値の推移、劣化状態、発生条件、故障原因などと合わせて確認することが望ましいです。なお、適用される安全要求や規格に基づく試験では、所定の合否基準を満たすことが必要であり、試験条件の変更や不合格結果の扱いは、その要求に従って判断します。

寿命推定についても、不確かさを考慮する必要があります。

加速劣化試験や統計的な分析によって寿命を推定する場合、使用するモデルや試験条件、サンプル数、故障メカニズムの仮定などが結果に影響します。

特に、短期間の試験結果から長期間の使用寿命を推定する場合には、推定の前提条件を明示し、必要に応じて実使用環境でのデータと照合することが重要です。

また、製品を長期間使用する場合には、保守や点検によって寿命に関わる状態を管理できるかという視点も必要です。

例えば、消耗しやすい部品を定期的に交換できる構造であれば、製品全体を継続して使用しやすくなる場合があります。劣化状態を点検しやすい構造にすることで、不具合が重大化する前に対応できる可能性もあります。

製品寿命を延ばす方法は、耐久性の高い部品を選ぶことだけではありません。劣化を監視し、適切な時期に保守できる製品構造を設計することも重要です。

特に屋外設置型の製品では、使用開始後の状態を継続的に記録することが役立ちます。

設置時の写真、点検時の状態、修理履歴、部品交換日などを残しておけば、劣化の進行を時系列で比較できます。設置場所ごとの環境差を整理することで、不具合が特定の条件下で発生しやすいかを検討する材料にもなります。

試験室で得られた評価結果と現場での記録を組み合わせることで、次の製品開発や設計改善に活用できる情報を蓄積しやすくなります。

新製品開発の相談で5つの評価方法を選ぶ実務手順

新製品開発を相談する実務担当者にとって重要なのは、部品劣化に関する専門的な試験方法をすべて理解することではなく、自社製品に必要な評価を選び、開発会社と具体的な試験計画を共有できる状態にすることです。

そのためには、製品の使用条件を整理したうえで、温度負荷、機械的負荷、湿度・腐食・紫外線、電気的ストレス、複合環境という5つの評価方法を、実際の故障リスクと結び付けて検討すると進めやすくなります。

最初に行いたいのは、製品がどのような環境で、どの程度の期間使用されるかを具体化する作業です。

例えば、屋外に設置する計測装置を新たに開発する場合、連続稼働を前提とするのか、必要なときだけ電源を入れるのかによって、電子部品の負荷条件が変わります。また、日射を直接受ける場所に設置するのか、屋根の下で使用するのかによって、筐体やシール材に求められる耐候性も異なります。

使用環境を整理する際には、通常の使用条件だけでなく、保管中や輸送中に受ける負荷も検討します。使用時には問題のない部品でも、輸送時の振動や保管中の高温によって性能が変化する可能性があるためです。

次に、部品ごとに想定される劣化現象を整理します。

例えば、樹脂製の筐体では、温度による変形や紫外線による材料特性の変化が考えられます。ゴム製のシール材では、圧縮状態での長期使用による復元性の低下が問題になる場合があります。コネクタでは、接点の摩耗や腐食、温度変化による接触状態の変化が評価対象になります。

こうした故障の可能性を洗い出したうえで、影響が大きい部品から評価方法を割り当てます。すべての部品に同じ試験を実施するのではなく、故障メカニズムに対応する試験を選択することが重要です。

温度負荷による評価を計画する場合は、最高使用温度だけでなく、通常使用時の温度範囲と保管条件も共有します。

例えば、密閉筐体に電子回路を組み込む場合、周囲温度と内部部品の温度が一致するとは限りません。発熱部品の近くに樹脂部品やシール材が配置されていれば、局所的な温度上昇によって劣化が進む可能性があります。

このような場合、部品単体の高温保持試験だけでなく、組立状態での温度測定を組み合わせることで、実際の負荷を把握しやすくなります。試験後には、外観や寸法に加えて、固定力や密封性能など、製品機能に関わる特性を確認します。

機械的な劣化を評価する場合は、使用年数を動作回数や荷重条件に置き換えて検討します。

例えば、1日に100回動作する機構を年間250日、5年間使用する想定であれば、基本的な動作回数は125,000回となります。ただし、この回数だけで必要な試験条件が確定するわけではありません。動作時の荷重、速度、停止位置、使用環境なども考慮する必要があります。

また、動作回数の目標値を満たしたかどうかだけでなく、途中段階で操作力や位置決め精度を測定することが大切です。例えば、試験開始時、一定回数到達時、試験終了時というように測定時点を設定すると、性能がどのように変化したかを確認できます。

摩耗が進行していても要求性能に十分な余裕がある場合と、わずかな摩耗で動作不良が発生する場合では、設計上の対応が異なります。試験結果から改善すべき構造や部品を判断するためにも、評価する性能を事前に明確にします。

湿度・腐食・紫外線による評価では、設置環境に応じて重要な負荷を選びます。

例えば、雨水にさらされる製品では、筐体の防水構造とシール材の長期的な性能維持を分けて考える必要があります。初期状態で浸水しない構造でも、温度変化や材料劣化によってシール部分の状態が変われば、長期使用時の密封性に影響する可能性があります。

そのため、必要に応じて温度や湿度による劣化試験を実施した後に、防水性能を確認する方法が考えられます。

ただし、この試験で得られた結果を、あらゆる屋外環境にそのまま適用することはできません。設置方向、降雨条件、結露、日射などによって負荷が変わるため、評価対象となる使用条件を明確にすることが必要です。

電気的ストレスによる評価では、通電時間だけでなく、回路が要求性能を維持しているかを確認します。

例えば、電源回路では出力電圧や温度、計測回路では測定値の変動、通信機能を備えた装置では通信品質などが評価項目になります。

通電試験の前後で測定値を比較するだけでなく、必要に応じて試験中の変化を継続的に記録することで、劣化の兆候を把握しやすくなります。

特に、電子部品は外観から劣化状態を判断しにくい場合があります。正常に動作しているように見えても、特性が許容限界に近づいている可能性があるため、測定条件と判定基準を明確にすることが重要です。

5つ目の複合環境試験では、それまでに把握した劣化リスクを踏まえ、製品全体としての信頼性を確認します。

例えば、屋外設置型の電子機器であれば、通電状態で温度変化を与える試験や、環境負荷を与えた後に機能を確認する試験などが考えられます。

ただし、複合試験では、負荷を組み合わせること自体を目的にしないことが重要です。実使用環境との対応が不明確なまま過大な負荷を与えると、現場では発生しにくい故障が生じる場合があります。

単独試験で確認された劣化現象と実際の使用履歴を照合し、どの負荷を同時に与えるべきか、どの順序で評価すべきかを検討します。

これら5つの評価方法を開発計画へ組み込む際には、試作段階ごとに評価の目的を変える方法が有効です。

構想段階では、材料や部品の候補を比較し、長期使用に関する重大な懸念がないかを確認します。基本設計段階では、重要な部品や接合構造について、試作品を使って劣化の傾向を調べます。量産設計に近づいた段階では、実際の組立条件や使用条件を考慮し、製品全体の性能を確認します。

このように段階的に評価すれば、設計変更の自由度が高い時期に問題を発見しやすくなります。また、試験結果に応じて、部品の材質変更、放熱構造の改善、接触圧力の調整、シール形状の見直しなど、具体的な改善策を検討できます。

評価を外部へ依頼する場合には、試験条件と合わせて、試験後に受け取りたい情報も明確にしておきます。

例えば、合否判定だけでなく、試験前後の測定値、途中経過、異常発生時の条件、試験体の写真、分解確認の結果などを共有できるようにすると、設計改善に活用しやすくなります。

試験で不具合が発生した場合も、単に不合格として終わらせるのではなく、故障した部品の状態や周辺構造への影響を確認することが重要です。故障原因を特定できない場合には、追加試験や測定方法の見直しが必要になることもあります。

また、試験体の製造条件や部品ロットを記録することで、試験結果のばらつきが設計によるものなのか、製造条件によるものなのかを検討する材料になります。

新製品開発の相談時には、評価結果をどのような設計判断へ利用するかをあらかじめ共有しておくと、試験内容と開発目的を結び付けやすくなります。

例えば、目標寿命まで部品交換を不要にしたい場合と、定期的な保守を前提とする場合では、必要な耐久性や構造が異なります。部品の交換を許容する製品であれば、交換時期の判断方法や作業の容易さも評価対象になります。

さらに、実使用環境での確認を予定している場合には、試作品の設置場所、点検周期、異常時の連絡方法、記録内容などを事前に決めておくことが望ましいです。

屋外で使用する設備では、同じ製品でも設置場所によって日射、湿度、振動などの条件が変わります。試作品の状態だけでなく、使用環境を継続的に記録することで、試験室で得られた結果との違いを検討しやすくなります。

こうした現場記録の管理には、LRTK Phoneを活用する方法もあります。位置情報付きの現場写真を記録し、対象設備や点検履歴と関連付けて管理することで、設置時と点検時の状態を比較しやすくなります。

例えば、屋外計測機器の試験設置では、設置位置、設置方向、固定状態、周囲環境を記録し、定期点検時に同じ設備の写真や確認結果を蓄積する運用が考えられます。劣化が発見された場合には、設置条件や点検履歴を振り返ることで、原因調査に必要な情報を整理しやすくなります。

ただし、LRTK Phoneによる記録は、材料強度や電子部品の内部特性を直接評価するものではありません。必要な性能測定や分解検査などと組み合わせ、現場で発生した変化を客観的に分析することが大切です。

新製品開発を外部へ相談する際には、想定寿命や使用条件を具体的に伝えるとともに、どの部品にどのような劣化が想定され、何を確認すれば要求性能を満たしたと判断できるのかを明確にすることが重要です。

まとめ：部品劣化を早期に評価して長く使える製品開発につなげる

新製品開発では、製品が完成した時点の性能だけでなく、長期間の使用によって部品がどのように変化するかを評価することが重要です。

部品劣化の評価では、温度負荷と加速劣化試験、繰り返し荷重と動作試験、湿度・腐食・紫外線による材料評価、通電試験と電気特性の測定、実使用環境を再現した複合試験という5つの方法が役立ちます。

ただし、これらの方法をすべて同じ条件で実施する必要はありません。製品の使用目的、使用環境、目標寿命、部品構成、故障時の影響などに応じて、適切な試験を選択することが大切です。

また、加速試験の結果から製品寿命を推定する場合には、実使用時と同じ劣化メカニズムが再現されているかを確認する必要があります。短期間の試験で問題が発生しなかったことだけを根拠に、長期の信頼性を断定しないことも重要です。

新製品開発の相談では、設計を依頼する前から部品劣化のリスクを整理し、評価方法、判定基準、必要な試験期間について検討しておくと、開発後半の手戻りを抑えることにつながります。

さらに、製品を市場へ投入した後も、実際の使用環境や部品状態を継続的に記録することで、設計時の想定と現場での劣化状況を比較しやすくなります。

特に、屋外に設置する設備や計測機器、建設現場などで使用する製品では、設置位置、周囲環境、施工状況、点検履歴などを関連付けて管理することが、劣化原因の分析に役立ちます。

こうした現場情報の記録には、LRTK Phoneの活用も考えられます。LRTK Phoneを利用して位置情報付きの現場写真を記録し、設置状況や点検時の状態を継続的に残すことで、現場ごとの使用条件を振り返りやすくなります。取得した情報を管理する際には、記録日時、対象設備、点検内容などを対応付け、必要に応じてLRTKクラウドで共有する運用も検討できます。

なお、現場写真や位置情報だけで部品内部の劣化を直接測定できるわけではありません。劣化の判断には、対象部品に応じた検査や性能測定が必要です。現場記録は、それらの結果を使用環境と関連付けて分析するための補助情報として活用することが重要です。

製品寿命を考慮した新製品開発では、設計、試作、耐久評価、量産、現場での使用状況までを一連の流れとして捉えることが求められます。部品劣化の評価を開発初期から計画し、試験結果と現場の情報を継続的に活用することで、長期的な信頼性と保守性を考慮した製品づくりにつなげられます。