日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

一般論文〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜

落下試験機による損傷境界曲線導出法の提案
中 嶋隆 勝＊Derivation of Damage Boundary Curve by Drop Tester
Takamasa NAKAJIMA *
緩衝包装設計を実践する上で、製品の衝撃強さ（損傷境界曲線、以下、DBC と略す）を調べることは重要である。
しかし、衝撃強さ評価に必要な衝撃試験装置は高価なため全産業分野に普及している状況にない。また、製品設計者によって実施される衝撃試験方法（JIS C 60068-2-27）では、耐衝撃性の合否判定がなされるが、許容速度変化が考慮されてないため、この結果を用いて緩衝包装設計を実施すれば過剰包装や破損クレームにつながる可能性がある。そこで、比速度変化、比加速度という新概念を導入することにより、落下試験機を用いて簡易に DBC を導出できる手法を考案した。本研究では、製品の被落下面に装着する緩衝材の性能をデータベース化し、提案法による市販 DVD プレーヤーの落下試験を行い、実際に DBC を導出できることを確認した。また、比速度変化と比加速度を用いた方法の妥当性について理論的な確認を行った。

It is important to evaluate the shock fragility (i.e. to derive damage boundary curve, DBC) of productswith the shock test machines when packaging cushions are designed. However, shock test machines havenot been used widely in all industrial fields. Moreover, product designers perform the shock test (JIS C60068-2-27) and judge the product to be good or no good. As a result, package designers are not able toutilize the results of the shock test for designing packaging cushions, since the results do not include its
critical velocity change. So, we developed a new practical method for deriving DBCs easily by drop test,
which includes new concepts, namely, specific velocity change and specific acceleration. In this study, we
made the cushioning performance database of cushions that is attached on the bottom of products when
dropping the product. Moreover, we conducted the shock test of DVD player according to this method inorder to confirm that the DBCs can be derived practically. Lastly, it has been shown theoretically thevalidity of the new method..
キーワード：包装、損傷境界曲線、衝撃強さ、落下試験、破損、試験方法、緩衝材
Keywords : packaging, damage boundary curve, shock fragility, drop test, damage, test method, cushion＊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
TRI Osaka (Technology Research Institute of Osaka Prefecture), Ayumino, Izumi, Osaka 594-1157, Japan
TEL:0725-51-2711, FAX:0725-51-2639, Email:nakajima@tri.pref.osaka.jp− 99−

落下試験機による損傷境界曲線導出法の提案有することを理論的に確認する。

１． 緒言

緩衝包装設計を実践する上で、製品の衝撃

２． ＤＢＣ導出の手順強さ評価は必要不可欠である。製品の衝撃強落下試験機を用いた DBC 導出法 2) の手順さを調べるには、衝撃パルスを台上に発生できる衝撃試験装置を必要とするが、高価なたを Fig.1 に示す。

め全産業分野に普及している状況にない。そ①では緩衝材に重錘を落下した時に発生すのため衝撃強さが不明であり、経験と勘による衝撃パルスを計測し、②にて緩衝材の性能る緩衝設計を余儀なくされる事例が散見されをデータベース化する。③では製品（供試品）る。また、多くの製品設計者は JIS C60068-2-27の落下試験を行い、許容落下高さを調べる。

「環境試験方法―電気･電子―衝撃試験方法」②で作成したデータベースと③の測定結果にに従って耐衝撃性の合否判定を実施している

基づき、④にてその許容速度変化⊿Ｖc およびが、製品の許容速度変化が考慮されてないた許容加速度Ａc を推定する。最後に、⑤においめ、この結果を用いて緩衝包装設計を実施すて製品の DBC を導出する。ただし、事前にれば過剰包装や破損クレームにつながる可能①、②の作業を実施しておけば、③〜⑤の作性がある 1) 。したがって、包装設計者が簡易業のみで DBC が導出できる。また、③にてに製品の衝撃強さを評価できる装置およびシ製品に生じる加速度を実測する場合も、同様ステムが必要とされている。しかし、現在そに①、②の作業は省略できる。のような装置やシステムはなく、その方法を提案する報告も見当たらない。そこで、筆者らは、比速度変化 2) 、比加速度 2) という新概念を導入し、落下試験機を用いて簡易に損傷境界曲線（以下、DBC と略す）3) を導出でき① Cushioning performance test
② To make database of cushion③ Drop test of products

る手法を考案 2) した。本研究では、製品の被落下部に装着する緩衝材の性能をデータベー④ Analysis of the test results

ス化するとともに、提案法による市販 DVDプレーヤーの DBC 導出を実際に行う。また、⑤ Derivation of DBC

本手法の理論的根拠の妥当性を示すため、比END

速度変化と比加速度の関係（以下、基準化
DBC と呼ぶ）が、衝撃パルス波形の種類のみにより決定され、一自由度のバネ質量系でモ

Fig.1 Derivation procedure of DBC by drop
test machine

デル化できるあらゆる製品に対して普遍性を− 100 −日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

３． 緩衝材の落錘実験によるデータベース作

7成（手順①および②）直方体に近い形状の製品を想定し、Fig.2 に示す３種類のコーナーパッドに対して、落下高さを順次変えて落錘実験（Fig.3 参照）を行い、緩衝性能のデータベース化を行った。本実験では、面落下の他、専用の治具による角Impulsive load (kN)65

Corner pad A
Drop at a corner

432

落下も実施し、角落下で生じる衝撃パルスもデータベース化している。データベースを用1いて、製品に生じる加速度と速度変化を推定

00AB2040
Potential energy of drop (J)C(a) Database of Corner pad A for a corner
16Fig.2 Corner pads made of expanded
polyethylene foam
Impulsive load (kN)

14Accelerometer

WeightCorner pad C
Drop at a face12108642

Drop
00510
Potential energy of drop (J)15Corner pad(b) Database of Corner pad C for a face
Stand of corner pad for corner
dropping test

Fig.4 Cushioning performance database ofcorner pads when dropping at a corner or a face
するため、衝撃荷重だけでなく反発係数も算Fig.3 Drop test to evaluate the cushioningperformance

出できるようにしている。データベースの一例として、Fig.4 に、Corner pad A の角落下お− 101−

落下試験機による損傷境界曲線導出法の提案

Table 1 Test specimen (DVD player)

よび Corner pad C の面落下に対して生じる衝撃荷重のデータベースを示す。ただし、本デManufacturer
Size
Massータは簡易的に作成したものであり、より詳
細に、緩衝材の温度特性、速度依存性、製品

Domestic company
225×235×52 mm
1.2kg

受け部表面の凹凸などを考慮したデータベー
スを作成すれば、加速度、速度変化の推定精度が向上すると考えられる。データベースの詳細さは、要求される評価精度のレベルに応じて改良されるべきものと考えている。また、球殻を有する製品や青果物などについては、衝突部の曲率半径にも注目してデータベースを作成する必要がある。
４． 製品の落下試験（手順③および④）

Table 2 Results of the drop tests withoutcushion
H (cm)⊿V (m/s)
Observations
30
2.43
OK40
2.80
OK50
3.13
OK70
3.71
OK100
4.43
Malfunction of “Play”
1405.24
OK except the above“Disc tray” does not
180
5.94
open.

市販されている DVD プレーヤー（Table 1参照）を供試品とし、その天面落下に対するTable 3 Results of the drop tests with cushion

衝撃強さ（DBC）を調べるため、製品単体でSpecimen

Cushion to control
shock pulse

Drop

H(cm)
30
40
50
70
100

A(m/s2)
847
943
1051
1303
1799

⊿V(m/s)
3.85
4.45
5.00
5.95
7.18

1402766

8.60

1804253

9.87

OKOKOKOKOK
Malfunction of“Play”
OK except theabove

Table 4 Allowable value obtained by the drop
tests without cushion
DamageFig.5 Drop test to evaluate fragility of a
product (DVD player)

Observations

Malfunction of“Play”“Disc tray” does
not open.

− 102 −

Dropheight(cm)⊿Vc(m/s)

Ac(m/s2)

70

3.71

−

140

5.24−

日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

Table 5 Allowable value obtained by the drop
tests with cushion

DamageMalfunction of“Play”“Disc tray” does
not open.

５． ＤＢＣの導出（手順⑤）

DBC とは製品の損傷と非損傷の境界を衝Dropheight(cm)⊿Vc(m/s)

Ac(m/s2)

撃パルスの加速度 Ac と速度変化⊿Vc により

100

7.181799表現したものである。その加速度と速度変化

Over180Over
9.87

Over4253を次のように比加速度 a と比速度変化⊿v に無次元化する。
⊿v = ⊿Vc･(fc／ac)

高さ H を 30 から 180cm の範囲で順次変えてa = Ac／ac落下試験（Fig.5 参照）を実施した。試料数は２台とし、それぞれ緩衝材なしでの試験と被速度 A の算出手順は次のとおりである。

振動数、ac はその部位の許容加速度とする。

(1)

ただし、m は製品質量、g は重力加速度、Hは落下高さである。緩衝性能データベースを用いて E に対応する衝撃荷重 F および反発係数 e を調べ、次式に代入することにより⊿Vおよび A を算出する。
⊿V = (1+e)

2gH

a と⊿v の関係図を基準化 DBC と呼ぶことにする。この基準化 DBC は、6 章で後述するように、衝撃パルスの波形別に 1 自由度のばまず、衝撃エネルギーE を次式で算出する。
E = mgH(6)ただし、fc は製品の破損部位に関する固有落下部に緩衝材を装着した状態での試験を実施した。衝撃パルスの速度変化⊿V および加(5)ね質量系による衝撃応答モデルから導出される理論値であり、fc と衝撃パルスの有効作用時間 De の積のみの関数で表すことができる。
fc･De は、製品の固有振動数を衝撃パルスの有効作用時間で無次元化した係数とみなせるので、基準化 DBC は製品の特徴（fc あるいはac）に影響されない普遍性を有している。この基準化 DBC を使えば、衝撃試験装置で発(3)生させるような台形波衝撃パルスがなくてもA = F/m(4)

試験結果および A、⊿V の推定値を Table 2および Table 3 に示す。ここで、緩衝材なしでの落下衝撃時の反発係数 e は 0 としている。

容易に DBC を導出することが可能になる。
その導出法を以下に記す。
製品を緩衝材なしで直接、地面に落下して得結果を整理すると、Table 4、Table 5 に示すよられる許容落下高さを Hc1 とすると、その時うに破損部位別に許容速度変化⊿Ｖc、許容加の速度変化⊿V1 は次式で得られる。

速度Ａc が得られる。これらの許容値により⊿V1 =2gH c1(7)DBC の導出が可能となる。
このとき、緩衝材がないので、加わる衝撃パルスの作用時間は 0、加速度は無限大とみな− 103−

落下試験機による損傷境界曲線導出法の提案すことができる。したがって⊿V1 は製品の許可能である。従来、DBC は方形波に対する導容速度変化に相当する。基準化 DBC では、a出が一般的であったが、これにより、正弦半が無限大となるときの⊿v に相当し、その値波に対する DBC についても容易に導出できを⊿v1 と表すことにする。衝撃パルスの波形るようになる。
以上の手順で、Table 4 および Table 5 に示が方形波あるいは正弦半波の場合、⊿v1 は1/(2π)である。

した破損部位別の許容値を用いて DBC を導

ここで、⊿v1、⊿V1 は既知であるから、式(5)出した。Fig.6 に示すように、破損部位別、かの⊿Vc および⊿v に、それぞれ⊿V1、⊿v1 をつ、衝撃パルスの波形別に DBC を導出する

代入すると、未知の係数 fc／ac が得られる。

ことができる。

fc／ac = ⊿v1／⊿V1(8)

Half-sine Disc tray does not open.
SquareDisc tray does not open.
Half-sine Malfunction of PLAY
SquareMalfunction of PLAY

手順 4 で求めた、緩衝材で保護された製品の落下試験で得られる許容加速度と許容速度変出できる。まず、式(5)に⊿V2 を代入すると、⊿v2 = ⊿V2･(fc／ac)(9)となる。式(8)を式(9)に代入すると、次式により⊿v2 が得られる。
⊿v2 = ⊿V2･(⊿v1／⊿V1)(10)2と、式(6)における未知数 ac が次のように算

Acceleration A (m/s )化をそれぞれ A2 および速度変化⊿V2 とする

8000
6000
40002000

基準化 DBC より、比速度変化が⊿v2 となるときの比加速度 a2 がわかるので、式(6)の a、00

Ac にそれぞれ a2、A2 を代入すると、ac が得られる。ただし、このときに用いる基準化 DBCは、EPE 緩衝材にて生じる波形が一般的に正弦半波に近いものなので、正弦半波に対するものとする。
ac = A2／a2

2040
Velocity Change ⊿V (m/s)

60

Fig.6 DBC of DVD player derived by the droptests
６． 基準化ＤＢＣの普遍性について(11)

式(8)および式(11)より、fc／ac および ac が既知

前章で記載した基準化 DBC を用いた DBCとなり、式(5)および式(6)における未知数が決導出法は、fc および ac に対する基準化 DBC定するので、基準化 DBC を通常の DBC に変の普遍性が前提となっている。ここでは、そ換することが可能となる。このときに用いるの前提条件の成立を理論式の展開にて確認す

基準化 DBC は、正弦半波、方形波共に設定る。

− 104 −

日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

一般的に、衝撃パルスに対する衝撃応答スペ同様に普遍性が存在することがいえる。ただクトル（以下、SRS とする）は、横軸を製品し、SRS、すなわち Tr(fc･De)の普遍性は、一の固有振動数 fc と衝撃パルスの有効作用時間自由度のばね質量系を前提としているので、De との積とし、縦軸を衝撃の伝達率（動的倍非線形性の強い破損部位については十分な精率）Tr としたグラフで表現 4)-6)される。そし度は保証できない。て、製品の衝撃伝達が一自由度のばね質量系で表現可能な場合、SRS は、衝撃パルスの波７． おわりに形（たとえば、方形波、正弦半波、のこぎり波など）のみに依存し、fc および ac には依提案法で用いる緩衝材の性能をデータベー存しないことが知られている。この SRS の普ス化し、実際に、落下試験機を用いて市販遍性が存在すれば、基準化 DBC の普遍性もDVD プレーヤーの DBC を導出した。また、存在することを示す。

基準化 DBC が、衝撃パルス波形の種類のみ

Tr の定義より、により決定し、一自由度のバネ質量系でモデ

ac = Ac ･ Tr(fc･De)

ル化できるあらゆる製品に対して普遍性を有(12)することを理論的に確認して本手法の理論的が成立する。
速度変化および有効作用時間の定義より、⊿V = A･De根拠の妥当性を示した。今後は、従来の衝撃試験機による DBC と比較し、評価精度の確(13)認を実施したい。

が成立する。
式(6)に式(12)を代入して整理すると、a = 1／Tr(fc･De)

謝辞

(14)

本研究は、JA 全農の打田宏氏から寄せられとなり、a は Tr(fc･De)のみの関数であることた技術相談がきっかけで始まり、特許の共同がわかる。
式(5)に式(12)および式(13)を代入して整理

同氏には多大なご協力を頂きました。ここにすると、⊿v = fc･De／Tr(fc･De)

出願、本技術の普及に向けた取り組みなど、深くお礼申し上げます。

(15)となり、⊿v は fc･De および Tr(fc･De)のみの関＜参考文献＞数であることがわかる。
したがって、基準化 DBC を構成する⊿v、

1) 中 嶋 隆 勝 、 日 本 包 装 学 会 誌 、 19(1) 、a は、fc･De および Tr(fc･De)のみの関数で表すことができる。Tr(fc･De)が fc･De のみの関数で17(2010)2) 大阪府、全国農業協同組合連合会: 特開あり、製品の fc および ac の積に対して普遍性が存在するという仮定の下、基準化 DBC も− 105−

2009-047596

落下試験機による損傷境界曲線導出法の提案

3) Newton,R.E. Fragility assessment theory andpractice. Monterey Research Laboratory, Inc.
Monterey, California, 1968.
4) 斎藤勝彦、”輸送包装の科学”、日本包装学会、p.53(2008)
5) JIS Z 0119:2002
6) JIS C 60068-2-27:1995（原稿受付 2010 年 10 月 8 日）
（審査受理 2010 年 11 月 17 日）− 106 −