.

は じめに「システム安全」とは，安全性を確保する技術とその確実な運用を担保するマネジメントを統合して，システムの安全を実現するという概念である．信頼性と安全性の概念は異なるものではあるが，材料の品質・信頼性・保全を通じて，安全性が確保されており，両者は密接に関連している．さらには，材料の機械的・物理的・化学的性質を活用して，確定的な安全機能が積極的に構築されている．初めに，システム安全の概念を概説し，材料との関連性を一般的に論じた後，安全性を向上させるための材料研究動向について論じる．

図1

システム安全専攻のカリキュラム体系(著者が簡略化したもの)(1)．

古今東西の事故の歴史を紐解くと，大抵の場合材料が原因となっている．古くは産業革命期の鉄道車輪の折損事故から，近年の飛行機墜落事故などである．さらには，設計のモえる．その後，安全性を向上させるための材料の研究展望にジュール化・部品のモデル間共用の副作用として，単一部品ついて論じる．材料開発の研究者・技術者が多い本誌の読者の故障による製品事故・リコール数の急激な上昇等，経営ににとってはなじみが薄い分野であるとは想像するが，安全性与える影響も増大している．このように，材料は構造物・シとはそもそも何なのかと考える機会になれば幸いである．

ステムの安全を確保する上で極めて重要な役割を果たすにも.

関わらず，機械工学・材料工学の講義カリキュラムにおいて安全の概念について体系的に習うことは少ない．図に著者が所属するシステム安全専攻のカリキュラム体系を示すが，

システム安全の概念

システム安全の定義

文理融合の科目構成の中で材料の安全性に関する科目は設置

システム安全とは，製品のライフサイクル全てを対象としされており，当然のように学生が受講する(材料力学・金属て事前にリスク評価を実施し，適切なリスク削減対策を講じ材料工学の未受講者ばかりであるが，熱心に受講していることで目標の安全性を確保するための体系的枠組みである)．この事実は，材料の安全性が，実務的にも重要であるる．すなわち，完成したシステムに安全性を付加するのではことを端的に示している．本稿では，システム安全の概念をなく，想定されるリスクに対し適切な対応を施した結果とし概説した後，材料の安全性とは何か，安全性を材料によってて，安全性を予め組込んだシステムを構築することである．

どのように達成しているのかについて例示しながら説明を加システム安全という概念の成立背景については，元々軍事，

長岡技術科学大学講師システム安全系(〒9402188 長岡市上富岡町16031)
Concept of System Safety and Materials as Safety Components; Yuichi Otsuka(Department of System Safety, Nagaoka University ofTechnology, Nagaoka)
Keywords: system safety, failsafe, failure modes, reliability, validity
2012年 7 月 3 日受理

ま て り あ 第51巻 第 9 号(2012)Materia Japan航空といった分野から発展してきたことが参考文献に詳説さ機能が喪失されない度合い．

れている(2)(3)．

安全性…想定している状況で，使用者・設備への危害が起き図 1 に示すとおり，システム安全の枠組みは以下の項目

信頼性 R は故障率 f に対し，次式の関係がある．

で構成されている．


安全設計・安全性評価技術(信頼性・安全性評価，リR ＝ 1－ f

(1)

また，安全性 S については，リスクの大きさを H ( h, p, d )スク削減技術)

安全マネジメント(品質管理，労働・衛生管理)

システム構成要素の安全性(電気，材料，化学物質，で表現すると次式で表現できる．
S ＝ 1－ H ( h, p , d )(2)

リスクの大きさ H は，危険事象の種類 h，その発生頻度 p，人的因子，制御機能，情報システム，ロボットなど)ない度合い．

安全規格・認証枠組み・法規制体系想定される被害の大きさ d によって規定される．わかりや目標となる安全性については，法令・規格や社会の要求と製すいのは， H ＝ p × d とし，リスクの大きさを被害の大きさ

造者の技術的判断によって定まる．「どれだけ安全なら十分の期待値とすることである．このように，そもそも信頼性となのか」という問題は，解決されていない(4)(5)．少なくとも，安全性では，変数の次元が異なることは留意すべきである．

ALARA ( As Low As Reasonably Achievable  合 理 的 に 達

一方で表 1 を見ると，信頼性と安全性の関連も明確とな成可能な程度に低い)原則に従うことが重要である．また，る．信頼性が向上すると，式( 2 )中のリスクの大きさを決許容可能な水準までリスク低減を行っていることを説明する

定する関数 H が変化することは容易にわかる．そのため，ために，図に示すリスクアセスメントは必須である(6)．

信頼性を向上させると，安全性も向上する．一方で，信頼性を 向 上 さ せな く と も ， 発 生 する 被 害 の 程 度 d を 小 さ く す

信頼性と安全性

る，もしくはそもそもある危険事象 h が起きないような条

信頼性と安全性は似て非なる概念なので，ここで改めて整件を達成する等して，安全性を向上させることも可能とな理しておく．表に信頼性と安全性の比較を示す．概念的なる．従って，信頼性を向上させる対策と，安全性を向上させ違いについては，向殿の解説に詳述されている(7)．

る対策は重複する部分もあるが，独自の部分も存在する．あえて信頼性と安全性を区分して対策を整理すると，以下とな

信頼性…想定している機能の維持される度合い．すなわち，る．


信頼性の向上のための対策(6)(7)Fault Avoidance(故障回避)

高信頼性の部品を利用する．

 Fault Tolerance (多様性・冗長性)

複数の同一部品による並列化や，異なるメカニズムにより同一機能を実現する
ことにより，システム全体の故障率を低下させる．
一般機能と安全機能の独立

一般機能が故障した際のFail Safe を可能にするために，安全機能が故障しないような設計を行う．


安全性向上のための対策(4)(6)(8)(9)本質安全設計

そもそも危険事象自体が発生しないような設計を行う．代表的な例は本質防爆設計である(10)(11)．有
名なダイソンの Air MultiplierTM(エアマルチプライアー)
図2

リスクアセスメントの流れ．

も，切断・巻き込まれ危険源を有する羽根をなくしたとい

表1

信頼性(式(1))

安全性(式(2))

機能の維持される度合い

危害が生じない度合い

検討因子

故障率

発生事象，頻度，被害の程度

定量化プロセス部品の試験・稼動データから故障率取得．
FTA 手法によりシステム全体の故障率を計算

発生事象の想定の十分性が検討困難
被害の程度の定義が多様低頻度重大被害への対応の必要性判断

定

義

不確定性



信頼性と安全性の対比．

故障率の確率分布

想定発生事象の複合・同時発生
被害の程度の想定手法
発生頻度の確率分布

解説イベントツリー(Event Tree，ET(8))安全機能の解析のたう点で本質安全設計に位置づけられる．
 Fail Safe ( Fail Soft )故障したときに，システム全体がめに，危険事象の発生時にどのような安全機能がどのよう安全な状態に収束するような対策を講じる．材料の例は後な順番で動作し，安全状態に収束するのか，それとも収束述する．に失敗し危険事象が進展するのかのシーケンスを展開する

Fool Proof(ヒューマンエラー防止)

人が誤って操作しな技法．

いような設計を施す．例えば，緊急停止ボタンにカバーを確定論的安全性評価とは，図 3 の流れを用いて，ある部付ける等である．
例えば圧力容器内の圧力が高くなりすぎた場合品の故障モードによってどのような危険事象が発生し，それにシステムを停止させるなど，制御機能によって安全な状がどのような安全機能によって安全状態に収束するのか，危態を維持する．

険状態に進展するのかを明らかにするプロセスである．これ

機能安全

工作機械を覆う防護柵のように，危険事象が生じたに対して確率論的安全性評価では，FTA，ET に故障確率デときの被害を緩和するもしくは，危険事象が発生する可能ータを導入することで，故障モードの発生率および安全機能性のある場所から人を隔離するための対策である．の故障率(安全機能が正常に動作しない確率)を定量化し，被防護

害度等を定量化することで，リスクの大きさを定量化するプ

確定論，確率論的安全性評価

ロセスである．

図に，信頼性，安全性評価の関連とその際の代表的な技


アセスメントの一般的な流れを示しているが，この流れは，

信頼性解析

故障モード・影響度解析(Failure Modes and Effects Analysis, FMEA(8)(9))

重要なことは，どちらの手法においても，安全性を論理的に証明することが求められている点である．図 2 にリスク法を示す．

何種類の故障モードが存在するのか展

リスクがどのように削減され，最終的に許容されているかを確認するプロセスである．すなわち，全ての危険事象について，どのようなリスク削減対策が施され(対策しないことも開する技法
故障木解析(Fault Tree Analysis, FTA(8))

各故障モード含む)，どの程度のリスクが残留しているのかを明らかにすの発生原因の掘下げを行う．また，原因の発生確率から，る．また，対策ができない危険事象を“想定外”としてリス故障モードの発生確率の定量化にも用いられる．

ク評価シート，ET の埒外に追いやるのではなく，それらを含め，対策に限界があることを明示しなければならない．



安全目標の定義とは，“許容できないリスクが存在しない

安全性解析

リスクアセスメント(RA(10)(11))ある危険源( Hazard)から何種類の危険事象が発生するのかを展開する技法．

図3

ま て り あ 第51巻 第 9 号(2012)Materia Japanこと”(6)(11)である．あるリスクシナリオについて全て安全状態に収束すれば素晴らしいことであるが，不安全な状態は残信頼性評価，安全性評価技法の関連性．

留せざるを得ない場合が通常である．その場合，リスク便在する．安全状態の定義も，不安全状態と区別するために論

益分析によって，対策を講じるべきか，許容すべきかの判断理的に行わねばならない．
故障が発生した時，図 3 の ET を用いることで，安全側故を行う．
リスクの大きさ H ( h, p, d )を定量化することが望ましい
が，特に，発生頻度 p，被害度 d について以下の課題がある．
発生頻度

例えば原子力発電所やロケットのように一品物の場合，故障率のデータが，統計的に解析するには不十分障か危険側故障かを区別することができる．


安全側故障(Fail (to) Safe)

部品や安全機能に故障が発生した場合に，安全状態に収束することが論理的に証明できるもの

な場合が多い被害度

被害度を表現する変数が多様である．例えば死者数とするか，負傷者数とするか，損害金額とするかによっ


危険側故障(Fail to Danger)

部品や安全機能に故障が発生した場合に，どのような状態になるか予測できないものや，危険状態になると予測されるても異なる．

もの定量化するには膨大な調査データが必要となるが，その労図を用いて具体例を示す．この高圧容器は 2 つの安全力にもかかわらず，確定論的な評価にはあまり寄与しな機能を有している．1 つは高圧弁であり，もうひとつは容器

い．一般的には，リスクマトリックスを用いての発生頻度の減肉，き裂を検知するセンサである．高圧弁は，普段は閉p，被害度 d のランク付けを行い，リスクの大きさ H の大じているが通電により開放するノーマルクローズ形と，普段きさを区分する定性的評価を用いる(8)(10)．

は開放しており，通電により閉鎖するノーマルオープン形に

大別される．表にそれぞれの形を利用した場合，断線して危険側故障と安全側故障(FailSafe)

通電できないという故障モードが発生した場合の危険側故障

前節では安全状態という用語を定義せずに用いていたのと安全側故障の例を示す．内容物の違いにより安全状態の定で，安全状態を定義する．安全状態とは，想定している被害義が変わり，そのため，同じ故障モードに対しても，安全が起きない状態であり，以下のどれかの場合で表現が可能で側，危険側となることがわかる．表 2 の評価が，図 2，図 3ある(4)(12)．のリスクアセスメントで用いられる．その結果として，バルブの適切な形式が，安全側故障となるよう選択される．



停止状態(エネルギーが最低)周囲への被害を与えるだけのエネルギーを有していない．
運動エネルギーの例

停止している自動車は衝突のリスクはないとみなせる．
位置エネルギーの例

危険検出型回路と安全確認型回路(13)

洗濯機は，稼働中はふたにロックがかかり，完全に回転が停止して初めてロックがはずれ，中身を取り出すことが出来

地面においてある物体は，落下して衝突するリスクはない．
化学エネルギーの例

る．このケースでは，停止した(＝安全状態)を検知して機能しているので，安全確認型回路という．一方で図 4 のき裂

物質の引火点以下であれば，引火はしない

安定した稼動状態

機械の正常稼動…周囲から人が動作範囲に入ってこないよ
う防護された状態で，正常に制御されている限りにおいて，人を傷つけるリスクはないとみなせる．
安全状態と，危険事象が発生している危険状態のみが存在するわけではなく，グレーゾーンとしての不安全状態も当然存

表2

図4

安全機能を有する高圧容器(簡略化したもの)．

図 4 の高圧弁が通電できない故障モードにおける危険側故障と安全側故障．

容器の内容物

安全状態

危険事象

ノーマルオープン形を用いた場合の故障時
シナリオ

ノーマルクローズ形を用いた場合の故障時
シナリオ

空気

容器が破裂することがない状態(圧力 0)

容器が破裂し，飛散して衝突

バルブを閉じることができないが，圧力は0 になる．(安全側故障)

バルブを開けず，高圧を開放することが出来ない．(危険側故障)

毒劇物

内容物を容器内に保持している状態

内容物が周囲に漏えいし，中毒等の被害が生じる

バルブを閉じることが出来ず，内容物が漏えいする(危険側故障)

バルブを開くことが出来ないが，内容物は漏えいしない．(安全側故障)



解説

検知のセンサは，一定レベル以上に減肉すると警報を発するのか．例としては，実働荷重を用いて疲労寿命評価を行う

ことから，危険状態を検出しているので危険検出型回路とい時，その実働荷重のヒストグラムが変化することが寿命にう．この違いは，安全側故障の実現に致命的な影響を及ぼどのような影響を与えるのか．

す．先の洗濯機の場合は，仮に回転数検知のセンサが故障し想定している強度のばらつきが大きくなることは無いのたとしても，ふたが開くわけではないので安全側故障であか．例えば材料の品質が，熱処理条件の変動によってばらる．それに対しき裂検知センサの場合は，信号が来ないことは安全を意味しない ．すなわち，き裂長さの過小評価によつきが大きくなることはないのか．
構造組立てプロセスの影響はどの程度か．例えばねじ止る，早期の容器破損という危険側故障が避けられないことにめ，溶接等組み立てる際にどの程度特性が変動するのか．

なる．この場合，容器の外に漏えい物質を受止めるキャッチ想定している損傷，破壊モードは十分か．これは，前述のャーを設ける Fail Safe ，センサ自体の健全性を監視する多使用環境，負荷条件，材料特性，構造の各々の検討が十分様化や，センサを複数設置する冗長性など様々な対応が考えかを検討することに対応する．

られる．国際規格 ISO13849の安全機能の性能評価において

寿命評価，非破壊検査に用いる情報が保守的なのか，危険も，危険側故障に対し，論理的に対策を講じることが求めら側なのか．例えば，超音波探傷によって得られるき裂長される(4)．の分解能や得られたき裂長さと実際とのずれ方が考えられ

信頼性，妥当性検証る．また，き裂進展寿命評価に用いる欠陥寸法や下限界値のずれ，消失などが危険側の予測を与える．

図 2 の流れによってリスクを導出するが，得られた結果はどの程度正確なのであろうか．得られた結果の評価に関しこれらの検証を通じて，材料の損傷がどのように発生し，そては，信頼性，妥当性を検討する必要がある．の対策(材料選定，品質管理，非破壊検査による監視，保全)信頼性をどう取っているのかが明示される．例えば高強度材を用いリスクの大きさのばらつきがどの程度であるかを明らかにすること
妥当性

適切なリスクシナリオを十分に設定できているかて信頼性を向上させたり，耐食材を用いて腐食環境でのリスクシナリオ設定を不要とするなどである．このように，材料の物理的・機械的性質は信頼性，妥当性評価にも非常に有効

換言すれば，信頼性はアセスメントの不確定性，妥当性はモデリングの十分性を示している(14)．信頼性は確率論的評価そのものであるから定量化しやすいが，妥当性は定量化するであることがわかる．


安全対策と費用対効果のは困難であり，論理的に抜けがないのかを示すことが肝要

安全対策を施す場合，必ず言われるのは，安全と費用がトである．どちらが重要かを良く間違えやすいが，妥当性がなレードオフになると言うことである．安全対策の実施費用がいと信頼性が高くても評価としては意味がない．間違ったリ明確であるのに対して，その効果が測りにくいためである．

スクシナリオのリスクの大きさを精密に表現したとしても，しかし多くの事例は，後付けで安全対策を施すより，設計段現実に異なったリスクシナリオが発生しては無意味であるた

階から安全性を組込んでおくことの方が安上がりであると述めである．元々多変量解析の分野で発展した信頼性と妥当性べている(2)(21)(22)．また，安全性が向上することにより装置の考え方は，計算工学においてもその重要性が認知され，ガの停止や休業が減り，生産性の向上にもつながることが期待

イドラインが発行されている(15)．

できる．

リスク評価についても信頼性，妥当性評価の重要性は認知安全性を向上させることが経営的にも有意義であり，かつされているものの(16)，特に妥当性評価については手法の検企業価値・ブランド価値の向上にもつながる(22) ことは強調

討段階に留まる(14)(17)(18) ．これは，全ての事象を含めようすべき点である．中災防の調査報告によれば安全対策の費用とするとリスク評価が発散してしまうため，合理的にリスク対効果は 1 以上であることは述べられている(21)が，アンケシナリオを限定しなければならないためである．

ート調査に基づくものであり，実績値ではない．安全対策の材料の場合は，信頼性・妥当性評価において以下を検討すすることが期待される．

る．


効果の評価方法自体も，企業の実践事例の分析を通じて発展

信頼性評価

.

損傷，破壊モード(19)(20)の設定．

材料分野での安全性向上に関する研究例

応力，強度の確率分布の設定による破壊確率評価．
これまで，材料は安全性向上のために不可欠であることを


妥当性評価

想定している使用環境はどのように変動するのか．温度，腐食性環境等，材料の劣化をもたらす変化が起こりえないのか．
想定している負荷条件のばらつきが大きくなることは無い

ま て り あ 第51巻 第 9 号(2012)Materia Japan解説した．本節では，安全性向上に位置づけられる研究例を紹介する．


故障モード展開手法(妥当性評価支援)

材料，応力，環境の 3 因子によって損傷，破壊モードが多岐にわたることは知られている(19) ．一方，設計段階において，製品機能に潜む故障モードは通常経験的に導出される．
Shimizu et al. は，故障モードの導出に当たり設計変更や環Fail Soft き裂進展抵抗を向上させた生体摸倣型金属基複合材料

境変化に着目し，故障モードの一覧を整備することにより故セラミック材料は一般的に硬いが脆く，そのため構造材料障モードを“同定”するよう改良した枠組みを提案していとしては使用しづらい．最近，アルミナと Al SI 合金の複る(23)．著者のグループでは，機能の一般表現を用いて材料合材料を氷晶テンプレート法にて作成し，破壊じん性値がの正常状態を定義し，正常状態にパターン化されたずれを導20(MPam0.5)と従来のセラミック材料からの大幅な向上を達入することで，整備された故障モードの一覧から同定する手成したことが報告されている(30) ．このような材料であれ法を提案し，経験が浅い学生の試行においても故障モード導ば，荷重が掛かることを想定していない材料が，予測外の負出数が増加したことを示している(24)．

荷を受けた時も抵抗を期待でき，従って安全性も向上する．



本質安全化(危険源の除去)疲労限度を有するアルミ合金の開発

以上のように，材料の研究開発が，安全性向上に位置づけけられる例は多岐にわたる．ただし，特定分野のリスク事象に対応して設計されていることから，システム安全という一金属材料の耐久性を表す疲労強度には，SN カーブ上に明般的な考え方で捉えた例は少ないと思われる．海外，国内と瞭な折れ点が存在する場合と，なだらかに低下していく場合も，システム安全と材料のキーワードではほとんど検索に掛とに分かれる．前者の場合は疲労限度といい，原理的には疲からない．例えば安全機能の構築に対し，外部からのエネル労限度以下に負荷を制限すれば無限寿命設計が可能となる

ギー入力を必要としない受動安全性(31) を実現するために，(近年内部起点型破壊が超長寿命側で起こることが報告され材料の物理的・機械的性質が用いられることもしばしばあているが，その寿命以下の範囲で制限すれば，折れ点を疲労る．ラプチャーディスク(32)や，自己調温発熱体(33)などであ限度として用いることはなお有効である)．炭素鋼などの鉄る．このような具体例も，安全性評価と関連付けて検討を進

鋼材料では疲労限度が存在するが，アルミ合金では疲労限度めることで，その要求仕様がより具体化され，開発が加速すが存在しないとされてきた．最近， Takahashi, Shikama etることが期待できる．物質・材料研究機構の調査報告書におal.(25)(26)は，ひずみ時効効果を高めることで疲労限度を有すいて「安全安心用素材」について言及され，安全性の向上とるとみなせるアルミ合金が開発できたことを報告している．

いう目的のために材料設計が行われる例が増えていくと指摘

疲労限度に基づく設計であれば，応力に基づく設計であるのされている(33)．

で簡便であり，かつ寿命評価のばらつきよりも小さいことが期待でき，安全性向上にも極めて有効であると考えられる．


本質的安全設計(リスク削減)耐食複合コーティング.

おわりに材料システム安全へ

材料の安全性評価とは，材料の品質管理，使用環境・負耐久性を考える上で，腐食環境の影響は予測しづらい．金荷・強度モデルの信頼性・妥当性評価，非破壊検査，保守管属材料では腐食疲労で疲労強度が大幅に低減することが知ら

理手法などを統合し，材料が想定寿命内でその特性を維持すれている．表面改質やコーティングにより，腐食の影響を除るための枠組みを構築することである．この考え方はシステ外できる構造にできれば安全性評価もより容易になる．一例

ム安全の概念と明らかに対応する．事故事例や経験に基づきを挙げると， Shanewaz et al. はマグネシウム合金に陽極酸設定された破壊，損傷モードに基づく対応のみでは，妥当性化と塗装を併用することで，大気中での疲労強度と同等の，を有するとはいえない．材料の使用においても，システム安塩水噴霧環境での疲労強度を実現できることを報告してい全手法に基づきそのリスクを評価し，使用限界を明示するこる(27)．とが必要である．



Fail Safe な材料開発自己治癒材料，自己治癒コー

ティング

安全性評価においてもう一つ重要なのは，外部に対する透明性(説明責任)である．どのようにして安全性を確保しているかを，非専門家に対して説明せねばならない．そのような生体構造には修復機構が備わっているが，一般的な人工材場合，単純に説明できる方が望ましく，そのためには材料の料はそうではない．構造材料に修復機能が備われば，故障時性質を利用した単純だが確実な機能がより好ましいと考えらも危険側となる可能性が低下し，安全性も向上することが期れる．一般社会の安心の観点からも，このように金属を含む待できる．White et al.(28)が高分子基複合材料にマイクロカ材料の役割は大きいものを占めている．一人でも多くの金属プセルを封入しき裂を修復するという自己治癒材料の開発成

材料研究者の方々に，安全性は研究・技術開発の分野として果を報告したのを契機に，精力的に研究が進められている．

有意義であるとご理解頂ければ幸いである．

最近では自己治癒コーティングの開発が進められ，モバイル電子機器での実用化に至ったことが報告されている(29)．

本執筆に当たっては，長岡技術科学大学

永田晃則実務家教授，武藤睦治教授，三上喜貴教授を始めとしたシステム安全系教員，明治大学



杉本旭教授との討論及び助言が大変参解説

考になった．御礼申し上げる．著者は，執筆当時，文部科学省科学技術振興調整費「若手研究者の自立的研究環境整備促進」事業「産学融合トップランナー発掘・養成システム」の支援を受けており，謝意を表する．

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ー採用のトレンド，(2011)．
(30) M. E. Launey, E. Munch, D. Hein Alsem, E. Saiz, A. P.
Tomsia and R. O. Ritchie: J. R. Soc. Interf., 7(2010), 741753.
( 31 ) 松岡 猛電子情報通信学会技術研究報告， SSS 安全性， 99(2000), 27
32.
(32) 小野和夫配管技術，51(2009), 2730.
( 33 ) 物質・材料研究機構ナノテクノロジー総合支援プロジェクトセンターナノテクノロジー技術動向調査調査報告書，(2004), 504
520.
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大塚雄市

2007年 3 月 九州大学大学院工学府機械科学専攻博士課程修了(博士(工学))2007年10月 長岡技術科学大学 産学融合トップラン
ナー養成センター 産学融合特任講師
2012年 4 月長岡技術科学大学 システム安全系 講師
現在に至る
専門分野材料強度学，安全設計工学◎材料の応力強度モデルを安全性評価における妥当性検証に展開した研究に従事．環境強度に着目した医療用コーティングの構造解析や評価技術の研究に従事．

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