日本包装学会誌 Vol.23 No.5（2014）

技術報告～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～

安全な高さでの自由落下試験による包装貨物限界落下高さ衝撃加速度推定
川 口和 晃*、斎 藤勝 彦* *、竹 内 雅 和* * *Prediction on Peak Acceleration of Packaged Freightat Target Drop Height by Safety Drop Height Free Fall Test
Kazuaki KAWAGUCHI*, Katsuhiko SAITO** and Masakazu TAKEUCHI***
包装貨物落下試験時に内容品が破損してはならない場合に対する新しい落下試験方法として、「ハイブリッド落下試
験」が提案されている。これは製品が破損しない高さでの落下試験を実施することにより、目標とする高い落下高さでの発生加速度を予測する試験方法である。すでに実証試験により、本試験方法の有効性が確認されている。ものの、衝撃試験装置、シミュレーションソフトウェア、加速度計測機器など、高額な機器が複数必要となるため広く普及させる面で課題がある。
本報告ではハイブリッド落下試験を汎用的に利用する目的で、自由落下試験機と加速度計測機器を用いた簡便法について検討した。ここでは自由落下試験における加速度予測方法の考え方を提示すると同時に、その実証試験を行った。
その結果、本提案による加速度予測はおよそ 15％の誤差で得られ、緩衝材料特性の影響は比較的少ないことが示唆された。

A new method of the drop test has been proposed as ‘The Hybrid Drop Test’. The purpose of this test is to evaluate thecushioning package design without the damage of the test specimen by the drop test. On this test, the predictive accelerationof the target drop height is calculated by the result of the safety drop test from the low drop height. The high efficacy of thistest has been confirmed in the prior study. However, there is a problem that expensive equipments, such as shock machine,
simulation software and acceleration measurement system, are needed to carry out this test .
In order to become more useful test, the new simple method with the free fall tester and acceleration measurement
equipment was proposed and investigated in this paper. As the result, the accuracy of the predictive acceleration was within
15 % toward the peak acceleration by the drop test. Moreover, it has suggested that there is a relatively slight influence of thecharacteristic of the cushion materials.
キーワード :緩衝設計、輸送包装、落下試験、予測加速度
連絡者(Corresponding author), 神栄テクノロジー㈱ (〒650-0034 神戸市中央区京町 77 番１神栄ビル 5F),
Shinyei Technology Co.,Ltd., 77-1, kyomachi, chuo-ku, Kobe, Hyogo, 650-0034, Japan,
TEL:078-393-6963, FAX:078-332-1619, Email:k-kawaguchi@stc.shinyei.co.jp**
神戸大学 輸送包装研究室, Kobe University, Transport Packaging Laboratory***
京セラドキュメントソリューションズ㈱,Kyocera Document Solutions Inc.
*－ 373 －安全な高さでの自由落下試験による包装貨物限界落下高さ衝撃加速度推定

１． 緒言

２． 加速度予測方法

緩衝包装設計の最終確認試験として、落下

2.1 加速度予測方法の基本的考え方試験が実施されている。この試験では、指定

ここでは、ハイブリッド落下試験と同様、の落下高さから包装貨物を落下させた後、内包装貨物を Fig.1 に示すような FVD モデル容品の破損状況が確認される。もし不具合が（Friction Viscous Damping）と仮定する。こ起きた場合は緩衝設計が見直され、改めて落こで、FVD モデルが自由落下したときに質量下試験による検証が行われる。

部に発生する最大加速度 2)は、式(1)で表されここで、落下試験を実施する段階の内容品る。

は、製品開発途中の試作品や高額のため取り換えできない製品など、内容品を破損させてはならない場合についても、実試験による緩衝包装機能の評価が求められることがある。
そこで上記のような場合に対応する新しい落下試験方法として「ハイブリッド落下試験」1)が提案されている。本試験のコンセプトは、

Fig.1
FrictionViscousDamping
Model
Fig.1
Friction
ViscousDamping
Model

内容品が破損しない安全な落下高さでの落下xmax  u ff  n  V   ff 

試験結果から、目標とする高い落下高さの発生加速度を予測することにより、内容品を破 u ff 損させず緩衝設計を評価するものである。すでに本試験における実証試験も行われ、その有効性が確認されている。ただし本試験を実 ff 施するためには、包装貨物落下試験を行うた

Fcm(1)

4 2  1exp 2
2
2  4 

2 1  2 2



めの衝撃試験装置、加速度計測機器およびシミュレーションソフトウェアなど、高額な設備が必要となるため、汎用性の点で課題が残っている。
本報では、ハイブリッド落下試験を、より簡易化し、広く普及させる目的で、一般的に活用されている自由落下試験機と加速度計測機器のみを用いて、包装貨物の発生加速度を予測する方法について検討した。

ここに、 xmax は内容品に発生する最大加速度、  は減衰率、  は円周率、 n は角固有振動数、 V は衝突速度、 Fc は摩擦力、 m は内容品の質量である。
本提案における加速度予測の考え方として、式(1)の各パラメータ（  、 n 、 Fc ）を何らかの方法で決定した後、目標とする落下高さに相当する衝突速度 V を代入することで、－ 374 －

日本包装学会誌 Vol.23 No.5（2014）

本来評価したい落下試験での最大加速度を予測する。なお、本方法は、FVD モデルのパラメータが定数となることが前提であるため、目標高さによる落下試験で内容品が砕けたり、分解するような破損が生じることで、各パラメータが大きく変化する場合には適応しない。

Fc xmax 1  u ff  n  V1   ff  m(4)Fc x max 2  u ff  n  V2   ff  m
式(4)において xmax1 、 V1 は 1 回目の落下試
験により得られる数値、 xmax 2 、 V2 は 2 回目の落下試験で得られる数値を表している。また、ここでは n を 2 つの試験で得られた作用

2.2 パラメータ決定方法
ここでは式(1)のパラメータを決定する方

時間 T の平均値から、式(3)により算出している。

法について述べる。
まず、内容品の質量 m が既知であることは自明である。V は、落下試験時の落下高さ h

Safety Drop test 1,から式(2)として得られる。

V  2 gh

Safety Drop test 2,,,(2)次に、落下試験時に加速度波形を計測する

Calculation forと、 xmax と衝撃作用時間 T が得られる。ここで、FVD モデルにおける T と角固有振動数

n の関係 1)は、式(3)で表される。
(3)n andx∙∙∙x∙∙∙2

∵

√22T

以上より、 V 、 m は落下試験時には既知となり、落下試験時に内容品の加速度波形を計測すれば xmax 、 n は実験的に得られるこ

Impact Velocity from Target Drop Heightとから、式(1)における未知数は、  と Fc の2みとなる。
次に、上記の 2 つの未知数を求める方法について述べる。まず、２つの異なる落下高さ

Calculation of Predictive Acceleration

で落下試験を行い、落下高さ別に得られる V 、xxmax をそれぞれ式(1)に代入すると、式(4)が∙∙∙得られる。これを連立方程式として解くことにより、  と Fc が導かれる。

Fig.2 Derivation for Predictive Acceleration－ 375 －

安全な高さでの自由落下試験による包装貨物限界落下高さ衝撃加速度推定

ここでハイブリッド落下試験のコンセプトから、式(4)を得るための落下試験の落下高さ設定は、内容品が破損しないと考えられる低い落下高さとする。たとえば、1 回目の落下試験の試験高さは、落下試験機の下限値を採用し、2 回目の試験高さは、1 回目の試験結果との差を明確にするため、下限高さ＋10 ㎝に設定するなどが考えられる。
以上より、2 パターンの落下試験を実施し、Fig.3 Dummy Box

式(4)を解くことにより、式(1)の全パラメータが既知となる。最後に、目標とする落下高さH に相当する衝突速度 V を式(1)に代入すれば、目標とする落下試験で発生すると考えられるピーク加速度を予測できる。本報における加速度予測方法における流れを Fig.2 に記す。

３． 実験による検証
ここでは２章で提案した加速度予測方法に(a)対して、実際に落下試験を行い、その妥当性について検証する。ここでは、内容品に発生する最大加速度のみを比較対象とし、内容品の物理的な破損については言及しない。

3.1 供試品
本試験で利用した供試品は、小型プリンタを想定したダミー木箱（サイズ：358×262×238㎜、質量：7 ㎏、Fig.3 参照）を利用した。
緩衝材はパルプモウルド緩衝材と、発泡ポリエチレン緩衝材（サンテックフォーム発泡倍率 35 倍）の 2 種類を用いている。（Fig.4）。

－ 376 －(b)Fig.4 Tested Cushion Material(a)Pulp Mold(b)Expansion Polyethylene

日本包装学会誌 Vol.23 No.5（2014）

また、加速度計測は木箱内部に加速度ピックアップ（1 軸：上下方向）を固定し、加速度計測システム(YOSHIDA SEIKI:SM-500)を用いた。このとき計測条件は、サンプリング
周期 10μ 秒、フレーム長さ 8000 ポイント、デジタルローパスフィルタのカットオフ周波数 500Hz とした。
Fig.5 Calculation of Predictive Acceleration
3.2 落下試験条件
落下試験の落下高さは、安全落下試験高さ試験で、1 ケースのみ除外対象となった。

として 30 ㎝（試験機下限高さ）、40 ㎝（下限高さ＋10 ㎝）、目標落下高さを 60 ㎝、80 ㎝と3.4 実測試験と加速度予測の比較
Table1 に落下試験での実測加速の 5 回平均した。落下回数は緩衝材の塑性を考慮して 1と標準偏差回のみとし、１試験毎に緩衝材、段ボールを値交換し、同条件で繰り返し 5 回の落下試験を5 回平均値 T と標準偏差実施した。また落下方向は底面方向のみとし均値と標準偏差、予測加速度の平および予測誤差_を示す。ここで、予測誤差とは式(5)でた。落下試験機は回転アーム型の落下試験装置(YOSHIDA SEIKI:DT-100B）を用いた。

、作用時間における_算出され、数値が小さいほど予測精度が高いことを意味する指標である。

3.3 加速度予測値の計算方法
200

下高さ 30 ㎝、40 ㎝の試験結果をもとに、

175

目標落下高さ 60 ㎝、80 ㎝における加速度150予測値を算出し、実測値と比較する。
ここで、加速度予測値の算出方法は、Fig.5に示すように、30 ㎝、40 ㎝の各 5 回の実験

̈ (G)
pre

加速度予測値の検証方法として、安全落

125

P.M. 60cm
P.M. 80cm

100

EPE 60cm

値から、60 ㎝、80 ㎝に対する 25 通りの予75測加速度を計算し、その平均値を各落下高50EPE 80cm50さでの加速度予測値とする。ただし、30 ㎝

75

100125

̈

150

175

200(G)のときの実験値が 40 ㎝のときの実験値よりも大きい場合は、計算から除外した。今Fig.6 Comparison between Predictive Accelerationand Experimental Acceleration

回の検証ではパルプモウルド緩衝材の落下－ 377 －

安全な高さでの自由落下試験による包装貨物限界落下高さ衝撃加速度推定

Table1 Result of Experiment and Prediction(a) Pulp Mold cushion(b) Expansion PE cushion(a)

Drop height

T_%

__

30cm

71.9

8.3

9.8

0.4

-

-

-

40cm

89.8

6.5

9.5

0.4

-

-

-

60cm

115

4.7

8.4

0.8

121.4

19.0

5.6

80cm

132

13.4

8.6

0.3

147.8

31.5

12.0

(b)
Drop height

T_%

__

30cm

51.8

1.4

13.4

0.5

-

-

-

40cm

61.2

3.2

13.5

0.6

-

-

-

60cm

67.7

6.4

13.7

0.4

76.8

8.1

13.4

80cm

80

3.8

13.7

0.9

90.0

12.6

12.5

xerror xpre  xexp
 100xexp

12.0%、発泡ポリエチレン緩衝材は最大 13.4%(5)であり、緩衝材による差は見られない。一方で、落下高さ毎の予測値のばらつきは、発泡また Fig.6 にパルプモウルド緩衝材、発泡ポリエチレン緩衝材の実測値と予測値ポリエチレン緩衝材よりパルプモウルド緩衝材が大きくなっている。これらばらつきの差の関係を図示した。横軸は実測値、縦軸は予については今後、より詳しく検証していく必測値であり、各マーカーはそれぞれの数値の要があるが、現時点では、事前の 2 回の安全平均値、上下左右の線分は標準偏差を示して落下試験において各 5 回、合計 10 回程度の実いる。また図中の実線は実測値と予測値が等測データから得られる加速度予測値の平均値しくなる境界線を表しており、平均値が実線を用いれば、緩衝材料に関係なく、目標とすに近いほど、実測値と予測値の誤差が少ない

る落下高さの加速度を、およそ 15％の範囲でことを示す。さらに平均値が実線の上側にあ予測できることを確認した。このことは、本る場合は実測値よりも予測値が大きく、下側提案方法を利用して、緩衝設計を評価するとにある場合には予測値は実測値より小さくな安全側での設計となることを示唆している。

ることが理解できる。

一方で先行研究結果 1) では、予測誤差はこれより、いずれの緩衝材でも予測値が実±10％の範囲で解析されることが確認されて測値よりも大きくなる傾向にあることがわかいる。ここで、本提案方法の予測誤差が大きる。予測誤差はパルプモウルド緩衝材で最大くなる原因として、試験方法による影響が考－ 378 －日本包装学会誌 Vol.23 No.5（2014）

えられる。自由落下試験では包装貨物の姿勢＜引用文献＞が傾いて床面と衝突することにより、内容品

1) Chen ZHONG, Katsuhiko SAITO, Kazuakiに発生する加速度に影響を与えている 3)。つKAWAGUCHI and Hiroshi SETOUE,

まり、落下試験の実測数値自体に、傾きによPackaging Technology and Science, 27(7),る誤差が含まれており、それを利用して予測509, (2014)

値を算出しているため、予測誤差が大きくな

2) Chen ZHONG, Katsuhiko SAITO andっていることが予想される。

Kazuaki KAWAGUCHI, Packaging
Technology and Science, 26(2),67, (2013)

４． 結論

3) 川口和晃,斎藤勝彦, 日本包装学会誌 18(3)、本報告では、ハイブリッド落下試験をより203（2009）

簡便化する目的で、落下試験装置を用いた加速度予測方法を提案し、異なる２つの緩衝材（原稿受付 2014 年 3 月 19 日）を用いたダミー貨物で落下試験による実験的（審査受理 2014 年 7 月 7 日）検証を行った。その結果、予測される加速度値の予測誤差はおよそ 15％の範囲で安全側に予測されること、また予測値のばらつきに差はあるものの、予測誤差は緩衝材料の特性による影響は少ないことから、合計 10 回程度の事前実験データがあれば、緩衝材料に関係なく本提案方法を利用できる可能性が示唆された。
今後の課題として、落下姿勢の影響がない動的圧縮試験を用いた検証を行うことで、本提案の一般化が必要である。さらに、予測加速度の精度を向上させるため、加速度予測値を導出する際の計算手順についても再考する余地がある。また、実用上では落下高さにより FVD モデルのパラメータが変化することも考えられる。このような場合に対する方法についても今後検討していく必要がある。

－ 379 －