日本包装学会誌 Vol.23 No.3 （2014）

技術報告～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～

垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究
津 田

和 城 *

Three-dimensional Motions of Packaged Products
under Vertical Vibration
Kazuki TSUDA *市場トラブルを未然に防止するために、出荷前に包装貨物の振動試験が行われている。しかし未だに市場トラブルが起きることがあり、試験条件は必ずしも実環境を反映しているとは言えない。これまでに実環境と等価な試験条件を導出するために、さまざまな手法が提案されてきた。しかし加振中の内容品の 3 次元挙動を考慮した手法は報告されていない。このような手法が構築できれば、より適正な試験が行え、市場トラブルの減少につながると考えられる。そこで、
まず加振中の内容品の 3 次元挙動を調べるために、垂直振動を受ける包装貨物の振動実験を行った。その結果、包装貨物は垂直方向にだけ加振されているにもかかわらず、内容品は 3 次元に振動し、それによる疲労が加振方向以外にも蓄積されていた。このことから、実環境と等価な試験条件を導出するためには、加振中の内容品の 3 次元挙動を考慮する必要があることがわかった。

Vibration tests of packaged products are conducted before distribution in order to prevent troubles inmarkets. However, as these troubles sometimes occur, it can not necessarily be said that test conditions
are represented real environment. Various test methods have been proposed in order to derive test
conditions equivalent to real environment. However, these methods have not taken into account
three-dimensional motions of products under vibration. If the method with three-dimensional analysis isconstructed, it is considered that more proper tests can be conducted, and contributes to reduce troubles inmarkets. Therefore, in order to examine three-dimensional motions of products, vibration experiments ofpackaged products under vertical vibration have been conducted. As a result, it has been confirmed that
products in a package move three-dimensionally in spite of only vertical vibration, and that fatigue due tothe vibration is accumulated besides the vibration direction. By these, it has been clarified that it isnecessary to take into account three-dimensional motions of products under vibration in order to derive
test conditions equivalent to real environment.
キーワード：包装貨物、振動試験、3 次元挙動、疲労
Keywords :Packaged products, Vibration tests, Three-dimensional motions, Fatigue*(地独)大阪府立産業技術総合研究所 〒594-1157 大阪府和泉市あゆみ野 2-7-1 TEL: 0725-51-2712
Technology Research Institute of Osaka Prefecture, 2-7-1 Ayumino, Izumi-shi, Osaka 594-1157, Japan
著者連絡先 (e-mail: tsuda@tri-osaka.jp)－ 215 －垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究

１． はじめに予想される。そのため内容品の 3 次元挙動を市場でのトラブルを未然に防止するために、考慮した上で実環境と等価な試験条件を導出

出荷前にさまざまな試験が製品および包装貨できれば、より適正な試験が行え、市場トラ物に対して行われている。その中のひとつにブルの減少や過剰包装の削減につながると考振動試験があり、包装、電気、自動車、食品、えられる。

医薬品など、さまざまな業界で実施されていそこで本論文では、まず試験時に加振加速る。しかし未だに振動が原因と思われるトラ度が限界入力加速度を超える場合があること

ブルが市場で起きることがあり、試験条件はを示すために、公的規格から引用した事例や必ずしも実環境を反映しているとは言えない。

実環境の振動データから導出した事例を説明

その原因として、規格の試験条件はあくまでする。次に加振中の内容品の 3 次元挙動を把一般的なものであり、個々の企業が直面する握するために、垂直振動のみを加える包装貨

実環境と等価なものになっていない点が挙げ物の振動実験を行い、内容品の 3 次元挙動をられる。これまでに実環境と等価な試験条件明らかにする。さらに、加振により内容品にを導出するために、さまざまな手法 1)～3)が提蓄積される疲労を把握するために、垂直振動案されてきた。しかしこれらの手法においてを受ける包装内容品の振動疲労評価を行い、も、本来の評価対象である内容品の振動が考振動数ごとに疲労度合を明らかにする。これ慮されていないという課題が残されていた。

らにより、実環境と等価な試験条件を導出す

このような背景から、著者らは内容品の動るためには、加振中の内容品の 3 次元挙動をきに注目し、内容品と緩衝材の間に隙間があ考慮する必要があるか否かについて検討する。

る場合には、加振加速度が限界入力加速度（この値は加振振動数によって異なり、9.8m/s2２． 限界入力加速度を超える試験事例前後に存在する可能性が高い）4)を超えると、試験時に加振加速度が限界入力加速度を超内容品は飛び跳ね、内容品の振動が増大するえる場合があることを示すために、公的規格ことを指摘してきた。さらに内容品の動きにから引用した事例や実環境の振動データから5)（以導出した事例を説明する。ただし、これまで下、新システムと表記する）の研究開発にもの研究 4)で限界入力加速度は 9.8m/s2 前後に取り組んできた。しかし新システムにおいて存在する可能性が高いことがわかっている。

注目して試験条件を導出するシステム

も、加振方向の内容品の動きは考慮できるものの、加振方向以外の動きまでは考慮できな

2.1 公的規格から引用した事例

かった。加振加速度が限界入力加速度を超え規格は業界ごとに決められている場合が多ると、内容品の固定が不十分な場合、内容品い。その規格は JIS6)、ISO7)、ASTM8)などの公は複雑に動き、加振方向以外にも動くことが的規格だけでなく、ISTA9)、IEC10)、JASO11)な－ 216 －

日本包装学会誌 Vol.23 No.3 （2014）

どの協会もしくは団体により決められている評価対象である内容品の振動ではなく、包装規格もある。Fig.1 に、包装貨物の振動試験で貨物に加わる振動（荷台振動）が用いられて利用されている JIS Z 0232 に記載の試験条件いる。
この手法では、疲労破壊の概念を応用してを示す。JIS に記載の通り、試験時の加振加2

速度の実効値は 5.8m/s である。通常ランダムいるため、加振による内容品への疲労は式(1)振動試験では、実効値の 3 倍を超えないようで表現できる。次に試験環境が実環境と等価に制限するため、加振加速度の最大瞬時値はになるためには、式(2)が成立しなければなら17.4m/s2 である。このことから試験時に加振ず、この等式から、試験時の加振加速度は式

加速度は瞬間的に限界入力加速度を超えるこ(3)で表すことができる。とがわかる。
Table 1 Procedure of deriving test condition

Fig.1 Test condition of JIS Z 0232

2.2 実環境の振動データから導出した事例
実環境と等価な試験条件を導出するために、これまでに幾つかの手法が提案されている。
その中のひとつに IMV 株式会社の手法 1)があり、Table1 に示す手順で試験条件が導出される。この手法では、疲労破壊の概念 12)を振動試験に応用し、繰り返し回数は振動時間、応力は振動加速度の実効値と見なしている。そして振動時間を計算（試験時間を短縮）する
際、S-N 曲線（縦軸：振動加速度の振幅、横軸：内容品が損傷するまでの振動時間）が用いられている。ただし振動データとしては、① Creation of scenario from transport
environment:
It is considered that a scenario
consists of some sub scenarios.
Ex. Truck transport (10 hours) =Expressway (8 hours) +Ordinary road (1.5 hours) +Bad road (0.5 hours)② Measurement of vibration in each sub
scenario:
When a truck runs on an expressway,
an ordinary road and a bad road,
vibrations of bed are measured.
③ Calculation of PSD (Power SpectralDensity）in each sub scenario:
PSDs of vibrations measured in ②are calculated.
④ Normalization of PSD in each subscenario:
RMSs in other sub scenario arearranged with the maximum RMS.
⑤ Creation of PSD enveloped eachnormalized PSD:
A PSD enveloped PSDs normalized in ④is created.
⑥ Further acceleration if needed:
If test time is longer than preferredtime, it is further accelerated byusing S-N curve.

－ 217 －垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究

貨物の形態もさまざまである。ここでは、直T×Aα=β(1)

方体の紙製箱、円筒形状のプラスチック製ボTreal×Areal =Ttest×Atest(2)

トルからなる包装貨物を対象とする。ただしAtest=Areal×(Treal/Ttest)1/α(3)

ボトルは緩衝材などで固定されておらず、そααの中には水が入った状態である。Fig.2 に実験
T：振動時間時の様子を、Table2 に箱およびボトルの寸法、

A：振動加速度質量を示す。

α：内容品の加速係数
β：内容品の蓄積疲労

Packagedfreight

Bottlereal：実環境
test：試験環境

Box
Triaxial
accelerometor

ここで簡単のために、トラック荷台の振動Zデータの実効値が 3m/s2、輸送時間が 5 時間のYひとつのサブシナリオからなる輸送環境を想定する。ただし内容品の加速係数を 3、希望Vibration
direction0

試験時間を 0.5 時間に設定する。これらの値Xを式(3)に代入すると、試験時の加振加速度はFig.2 Condition of experiment2

約 6.5m/s と算出される。このように実環境のTable 2 Size and weight of box and bottle

振動データの実効値が 3m/s2 であっても、試験時の加振加速度の実効値は約 6.5m/s2 になり、加振加速度の最大瞬時値は約 19.4m/s2 になる。
このことから試験時に加振加速度は瞬間的に

Box
Bottlecontaining
waterSize(mm)42×41×177

Weight(g)13

φ39×172200

限界入力加速度を超えることがわかる。
3.2 実験方法
３. 垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動試験機を用いて包装貨物の振動実験を行い、加振中の内容品の 3 次元挙動を把握するた加速度測定により内容品の 3 次元挙動を明らめに、垂直振動を受ける包装貨物の振動実験かにする。ここでは Fig.2 に示すように、箱はを行い、内容品の 3 次元挙動を明らかにする。

固定ジグや粘着テープによって振動テーブルに固定されており、振動テーブルに垂直方向

3.1 実験対象の加速度を与えて、包装貨物を加振した。そ実際の内容品は多種多様であるため、包装して振動テーブルおよびボトルに 3 軸加速度－ 218 －日本包装学会誌 Vol.23 No.3 （2014）

センサーを貼り付けて、それぞれの振動を 309.8m/s2 の場合には、ボトルは YZ 方向に衝突秒間測定した。なお測定箇所は、入力として振動している。すなわちボトルは加振方向の振動テーブルの天面、応答としてボトル天面とした。また加速度波形は、内容品の基本的X, Table

X, Bottle

Y, Table

Y, Bottle

Z, Table

Z, Bottle

な動きを把握するためにサイン波、試験時の内容品の動きを把握するためにランダム波の2 種類を用い、振動数は共振点付近の 30Hz に設定した。Table3 に加振条件の詳細を示す。
さらに測定に用いたセンサーの大きさは 24×17×9mm とボトルの直径よりも小さく、質量は 13g とボトルの 7％以下であるため、その影響は小さいと考えられる。
Table 3 Details of vibration conditions
Waveform

No.1-1
No.1-2
No.1-3Sine〃〃No.2

Random

Acceleration

Frequencym/s2 (G)Hz

Fig.3 Vibration acceleration of table and bottle in
XYZ-direction (Sine, Acceleration 7.4 m/s2,Frequency 30Hz)

7.4 (0.75)30
9.8 (1.0)30
12.3 (1.25)
30
JIS Z 0232
（Fig.1）

X, Table

X, Bottle

Y, Table

Y, Bottle

Z, Table

Z, Bottle

3.3 実験結果
Fig.3、4、5 に、加振条件 No.1-1 から No.1-3における XYZ 各方向の振動テーブルおよびボトルの振動加速度を示す。Fig.3 より明らかなように、加振加速度が 7.4 m/s2 の場合には、ボトルは Z 方向に振動テーブルと同程度に振動している。一方、振動テーブルは Y 方向に加振されていないにもかかわらず、ボトルは僅かに振動している。このことから加振加速度が限界入力加速度より小さくても、振動数によってはボトルは加振方向以外にも振動していることがわかる。
一方、Fig.4 に示すように、加振加速度がFig.4 Vibration acceleration of table and bottle in
XYZ-direction (Sine, Acceleration 9.8 m/s2,Frequency 30Hz)－ 219 －

垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究

ボトルの振動加速度の実効値を示す。
X, Table

X, Bottle

Fig.7 より明らかなように、加振加速度が限界入力加速度を超えると（加振条件 No.1-2 から No.2）、Z 方向のボトルの実効値は振動テーブルに比べて大きくなっていることがわかる。

Y, Table

Y, Bottle

さらに、加振方向以外の XY 方向（特に Y 方向）にもボトルは振動し、加振条件によっては、その振動は加振方向と同程度になっていることがわかる（加振条件 No.1-3 の Y 方向と Z 方

Z, Table

Z, Bottle

向）。

3.4 限界入力加速度と 3 次元挙動の関係
加振加速度が 7.4 m/s2 の場合には、ボトル
Fig.5 Vibration acceleration of table and bottle in
XYZ-direction (Sine, Acceleration 12.3 m/s2,Frequency 30Hz)の 3 次元挙動は小さいものの、加振加速度が9.8 m/s2 以上になると、ボトルの 3 次元挙動は顕著に見られる。これは箱とボトルの間にZ 方向に加えて、加振されていない Y 方向には隙間があるため、加振加速度が限界入力加も衝突振動している。さらに Fig.5 より明らかなように、加振加速度が 12.3 m/s2 の場合には、

X, Table

X, Bottle

Y, TableY, Bottle

Z, Table

Z, Bottle

その傾向はより一層強まり、ボトルは XYZ 各方向に衝突振動している。
さらに Fig.6 に、加振条件 No.2 における XYZ各方向の振動テーブルおよびボトルの振動加速度を示す。Fig.6 に示すように、ボトルは XYZ各方向に衝突振動している。すなわちボトルは加振方向の Z 方向に加えて、加振されていない XY 方向にも衝突振動している。
以上の結果から、加振加速度が限界入力加速度を超えると、ボトルは加振方向以外にも衝突振動していることがわかる。
Fig.7 に、加振条件 No.1-1 から No.2 における、XYZ 各方向における振動テーブルおよび

Fig.6 Vibration acceleration of table and bottle in
XYZ-direction (Random, JIS Z 0232)－ 220 －

日本包装学会誌 Vol.23 No.3 （2014）するために、垂直振動を受ける包装内容品の振動疲労評価を行い、振動数ごとに疲労度合を明らかにする。

4.1 評価方法
蓄積疲労スペクトル 5)を用いて包装内容品
Condition No.1-1

Condition No.1-2の振動疲労評価を行い、振動数ごとに疲労度22合を明らかにする。ここでは評価基準として、(7.4 m/s , Sine)(9.8 m/s , Sine)

振動数を変数として、振動数ごとに疲労度合を算出できる蓄積疲労スペクトルを用いた。
式(4)に、本スペクトルの算出式を示す。なお式(4)の PSD を算出する振動データとしては、3 章で測定された XYZ 各方向のボトルの振動に加えて、振動テーブルの振動も用いた。まConditon No.1-3
2(12.3 m/s , Sine)

Condition No.2

た評価対象としては、ボトルの 3 次元挙動が(JIS, Random)

顕著に見られた加振条件 No.1-3 および No.2

Fig.7 Root mean square of vibration accelerationof table and bottle in XYZ-direction (Random,JIS Z 0232)とした。

β(f)=f×T×(2×PSD(f))α/2×Γ(1+α/2)

速度を超えると、ボトルは飛び跳ね、ボトル(4)と箱の衝突が繰り返される。
f：振動数

そしてボトルの姿勢が崩れると、ボトルはΓ：ガンマ関数

傾いた状態で衝突を繰り返し、加振方向以外にも加速度が発生すると推測できる。
このように垂直方向のみの加振によるボト

4.2 評価結果

ルの 3 次元挙動は、新システムでも考慮されFig.8、9 に、加振条件 No.1-3 および No.2 にておらず、ボトルは想定外の方向に加振されおいて、振動テーブルおよびボトルの振動をていることになる。

用いて算出した、単位時間あたりに XYZ 各方向に蓄積される疲労を示す。Fig.8、9 より明ら

４． 垂直振動を受ける包装内容品の振動疲労

かなように、振動テーブルとボトルの振動は評価全く異なるため、それによる疲労も異なって加振により内容品に蓄積される疲労を把握いる。このことから、どちらの振動を用いる－ 221 －垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究

かにより、疲労評価が全く異なってしまうこX, Table

X, Bottle

Y, TableY, BottleZ, TableZ, Bottleとがわかる。一方、ボトルの振動を用いた場
合、ボトルは 3 次元に振動しているため、それによる疲労が 3 次元に蓄積している。さらに、加振振動数およびその整数倍の振動数だけでなく、これら以外の振動数にも疲労が蓄積している。このことから、加振加速度が限界入力加速度を超えると、加振方向や加振振動数だけでなく、これら以外にも疲労が蓄積されていることがわかる。
このように垂直方向のみの加振によるボト
ルへの疲労は、新システムでも考慮されておらず、想定外の負荷がボトルに加っていることになる。このことから、実環境と等価な試
験条件を導出するためには、内容品の 3 次元

Fig.9 Accumulated fatigue of bottle
XYZ-direction (Random, JIS Z 0232)

in

挙動を考慮する必要があると考えられる。
X, Table

５． おわりにX, Bottle

垂直振動を受ける包装貨物の振動実験および包装内容品の振動疲労評価を行い、加振中の内容品の 3 次元挙動および加振により内容品に蓄積される疲労を調べた。その結果、包Y, Table

Y, Bottle

装貨物は垂直方向（1 軸）にだけ加振されているにもかかわらず、内容品は 3 次元（3 軸）に振動し、それによる疲労が加振方向以外にも蓄積されていることがわかった。

Z, Table

今後、内容品の 3 次元挙動を考慮した試験

Z, Bottle

条件導出法が構築されれば、より適正な条件で試験が行え、市場トラブルの減少や過剰包装の削減に貢献できると考えられる。
Fig.8 Accumulated fatigue of bottle in
XYZ-direction (Sine, Acceleration 12.3 m/s2,Frequency 30Hz) ※AF: Accumulated Fatigue

謝辞－ 222 －本研究の一部は JSPS 科研費若手研究 B

日本包装学会誌 Vol.23 No.3 （2014）（25871239）の助成を受けたものである。こ12) 日本機械学会編、機械工学便覧、A4(9.3)、p.116(1987)

こに謝意を表する。

＜参考文献＞
1) IMV Corporation、振動試験仕様開発方法、
TP911、(2001)（審査受理2) 萩原俊輔、荒川浩司、山崎正博、日本包装学会第 17 回年次大会予稿集、p.78(2008)3) 臼田浩幸、椎名武夫、石川豊、佐竹隆顕、
農業施設、37(1)、3(2006)
4) 津田和城、中嶋隆勝、日本包装学会誌、
14(1)、35(2005)
5) 中嶋隆勝、津田和城、川田浩二、山内佳門、
日本包装学会誌、16(1)、41(2007)
6) JIS Z 0232, Packaged freights-Method ofvibration test, (2004)
7) ISO 2247, Packaging-Complete, filledtransport packages-Vibration tests atfixed low frequency, (2000)
8) ASTM D 999, Standard Test Methods forVibration

Testing（原稿受付 2014 年 1 月 10 日）

ofShipping

Containers, (2001)
9) ISTA 3A, Packaged-Products for Parcel
Delivery System Shipments 70kg (150lb)
or Less (standard, small, flat orelongated), (2008)10) IEC 60068-2-6, Environmental testing –,Part 2: Tests –, Test Fc: Vibration(sinusoidal), (1995)
11) JASO D014-3-06、自動車部品－電気・電子機器の環境条件及び機能確認試験－第 3部：機械負荷、(2006)－ 223 －

2014 年 2 月 26 日）

垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究－ 224 －

日本包装学会誌 Vol.23 No.3 （2014）－ 225 －

垂直振動を受ける包装内容品の 3 次元挙動に関する研究－ 226 －

日本包装学会誌 Vol.21 No.5（2012）－ 227－