日本包装学会誌Vblj6Nnl“O刀殿論文

包装品の非線形ガタ振動に関する実験的検証
津田和城＊・中嶋隆勝＊・斎藤勝彦*＊

ExperimentalVerificationonNon-linearGapVibrationof
PackagedProductKazukiTSUDA*､ＴａｋａｍａｓａＮＡＫＡＪＩＭＡ*・KatsuhikoSAITO*＊

これまでに著者らは、ガタ（被包装物と緩衝材の隙間）がある包装貨物のモデルを用いた解析や実験により、振動テーブルから被包装物への振動伝達特'１ｋについて検討してきた。そこでは、次の二つの現象がみられることを指摘している。一つは、貨物に作用する加速度がある値（限界入力加速度）を超えると被包装物の振動が急に大きくなる現象、もう一つは、被包装物の振動が大きくなる周波数帯（共振帯域）が拡がる現象である。しかしながら、実際の包装物に作用する衝撃や振動により、ガタができ、振動伝達にこのような非線形特性がみられるかについては実証されていない。
そこで、ＤＶＤ＆ＨＤＤレコーダーのダミーを用いた落下実験および振動実験により、これらについて検証した。その結果、ガタのない状態でも緩衝材によって振動伝達に非線形特性がみられることがわかった。さらに、落下衝撃による緩衝材の変形によってガタができ、ガタのある状態では振動伝達に強い非線形特性がみられることを確認した。

Ｔｈｅcharacteristicofvibrationtransmissibilityfromthevibrationtabletotheproductwas
investigatedbytheanalysisandtheexperimentwiththemodelofthepackagewithgaps(thespacebetweentheprodLlctandthecushio【lingmaterials).Asaresult・ithasbeenindicatedthat

thefbllowingtwophenomenaoccur・Ｏｎｅｉｓｔｈａｔｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｄuctincreasesrapidly・
whentheaccelerationappliedtothepackageislargerthanonevalue（thecriticalinput
acceleration)．Theotheristhatthefrequencyrangeinwhichthevibrationoftheproductincreases(theresonantfrequencyrange)spreads・However,ithasnotbeenverifiedwhetherthe
gapsaremadeandthesenon-linearityofvibrationtransmissibilityareseenbyashockanda

vibrationappliedtotherealpackageTherefOre,theseareinvestigatedbythedropexperimentandthevibrationonewitｈｔｈｅｄｕｍｍｙｏｆａＤＶＤ＆HDDrecorder・Asaresult・ithasbeen

clarifiedthatthenon-linearityisseenevenintheconditionwithoutthegapsduetothecushioningmaterials､Then､ｉｔｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｆｌｒｍｅｄｔｈａｔｔｈｅｇａｐｓａrｅｍａｄｅｂvthedefbrmationof
thecushioningｍａｔｅｒｉａｌｓｄｕｅｔｏｔｈｅｓｈｏｃｋｏｆｔｈｅｄｒｏpandthestrongnon-linearityofvibrationtransmissibilityisseenintheconditionwiththegaps．
キーワード：包装、緩衝材、ガタ、落下、振動、非線形性、振動伝達

Keywo｢｡ｓ：Packaging､CushioningGap，Drop,vibration,Non-linearity,Vibrationtransmissibility．
･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-l

TechnologyResearchlnstituteofOsakaPrefecture2-71Ayumino・Izumi,Osaka594-1157Japan.｡神戸大学〒658-0022兵庫県神戸市東灘区深江南町5-1-1
KobeUniversity51-1Fukaeminami､HigashinadaKobe・Hyogo658-OO22Japan－５３－

包装品の非線形ガタjil極り｢に関する笑験的検証い難い。そこで、実際のＤＶＤ＆ＨＤＤレコー

１．はじめにダーについて、それを模擬したダミーを用い振動試験は、振動が原因となる製品損傷(破損あるいは動作不良）を未然に防ぐことた落下実験および振動実験を実施し、これらについて検証する。

を目的としており、あらゆる製造業で必要な

2．実験試験である。そのため、試験結果は、製品が現実に受ける振動環境での耐久性を正確に反映するものでなければならない。しかしながここでは、実験で用いた試料について説明

ら、これまでに著者らは、多くの企業より依するとともに、ガタのある状態での振動実験頼を受けて振動試験を行ってきたが、現在のの前処置として実施した落下実験について述

規格に従った試験')幻を行っても、実地でのべる。次に、ガタのない状態およびある状態耐久性を正確に再現できない事例を経験してでの、振動テーブルから被包装物への振動伝いる。このような事例の報告鋤としては、紙達特性を把握するために行った振動実験につ系緩衝材を用いた貨物における製品損傷が挙いて説明する。

げられる。これは包装用緩衝材をプラスチック系からリサイクルが容易な紙系に代替した２．１試料貨物を輸送した際にみられる。そこでは、こ試料として、Ｆｇ１に示すようなDVD＆ＨＤＤの原因の一つとして、ガタ（被包装物と緩衝レコーダー入り貨物を模擬したダミー包装物材の隙間（以下、ガタと呼ぶ)）が考えられを用いた。ここに、被包装物は形状や質量がている。

実製品と同程度のアクリル製ダミーであり、これまでに著者らは、このガタが被包装物段ボール製緩衝材と段ボール箱は、実貨物でに及ぼす影響を明らかにするために、構造物使われているものと同等品である。また、段に含まれているガタの非線形振動に関する論

ボール製緩衝材と段ボール箱は、ガタがない

文４１を参考にしながら、包装貨物にガタがあように包装設計され、振動実験前には標準状る場合の、振動テーブルから被包装物への振態（温度：２３℃、相対湿度：５０％）で24時間動伝達特性について、簡易モデルを用いた解析516)や実験７１により検討してきた。そこでは、包装貨物に加わる振動加速度がある値（限界入力加速度）を超えると被包装物の振動が急に大きくなることや、被包装物の振動が大きくなる周波数帯（共振帯域）が拡がることを指摘している。しかしながら、実際の包装物に作用する衝撃や振動によって、ガタができ、振動伝達にこのような非線形特性がみられるのかについては明確に実証されているとは言－５４－ＦｉｇｌＤｕｍｍｙｏｆｐａｃｋａｇｅｏｆＤＶＤ＆HDDrecorder日本包装学会誌ＶＤＬ１６Ｎｎｌ（200刀以上さらしておく。ただし、実験は振動実験

2.2前処置（落下実験）(ガタのない状態)、落下実験、振動実験（ガガタのある状態での振動実験の前処置としタのある状態）という順序で行うが、落下実て、ダミー包装物の落下実験を実施する。

験や振動実験を行った室内の温湿度は調整さ

Fig.5に示すように、落下試験機を用いてダミれていない。ＴａｂＩｅｌにアクリル製ダミー、ー包装物を自由落下させ、落下衝撃を加える。

段ボール製緩衝材、段ボール箱の詳細を示す。

そして、実際の包装物に作用する落下衝撃に

また、緩衝材はFig.２に示すような形状であ

よってガタができるかどうかについて検討すり、落下前後の緩衝材は、Fig.３に示すようる。

な静的緩衝特性をもち、他の多くの緩衝材甑

2.2.1実験条件と同様に非線形性を有している。ただし、こ実験条件は、落下高さ80cｍ（JISZO200のの緩衝特性はＦｉｇ４に示すように、試験ジグレベル。（質量10kg未満)91)、底面落下１回で上にダミー包装物を天地逆にして置き、圧縮ある。

試験機を用いて底面から圧縮速度１０ｍｍ/ｍｉｎで荷重を加えたときの構造体緩衝材の圧縮特１性である。

OＢＲｃｍａｒｋｓｉ'′"/／

６４Ｄｉｍｃｎｓｉｏｎ』’００

ＰｒｏｆｉＩｅｏｆｄｕｍｍｙｏｆＤＶＤ＆ＨＤＤｒｅｃｏ｢der，corrugatedcushioningmaterialsand
corrugatedbox（室塁Ｂ３Ｌ

ＴａｂＩｅｌ

『Belb⑱。”ｐ－AｊｔＢｒｄｍｐ－－－ｍｍｉＤｕｍｍｖｏｆ○ＤＶＤ＆ＨＤＤ
ｒｃｃｏｒｄｃｒ

Ｃｏｒｒｕｇａｔｃｄ
ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ

ﾐmatcrials

０２

４３０ｘ３３０ｘ７６

Ａｃｒｙｌｉｃ
０５１０１５２０

４７５ｘＩ４０ｘ１８０

Fig3Compressioncharacte｢ｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌsbeloreandaflerdrop----■－－＝－－－－－:Ｃｏｒｒｕｇｉｌｔｃｄ
ｂｏｘ

DeIbImatmn(m､）Ａｎｕｔｃexperiment

ＡｆｌｕｔＣ

Fig.４Ｃｏｍｐ｢essionexpenmentofcorrugatedcushioning●

Ｆｉｇ２Ｃｏ｢rugatedcushioningmateri-aIs．

materials－５５－包装品の非線形ガタ振鬮ｸに関する実醗】ｳｳｲi徽証●

いてダミー包装物を垂直方向に加振する。そ２．２．２実験結果

落下時のアクリル製ダミーのPos､１（Fig.１

して、ガタがあることで被包装物への振動伝参照）における加速度を計測すると、最大加達に非線形特性がみられるかどうかについて速度（衝撃値）は663ｍ/s2であった。Fig.６

検討する。に落下前後の段ボール製緩衝材の様子を示

2.3.1実験条件

す。図より明らかなように、落下衝撃によっ

実験条件は、入力加速度4.9～19.6ｍ/ｓｚて緩衝材の折り曲げ箇所は破れ、差し込み箇(2.45ｍ/ｓ２刻み）、加振周波数５～100Ｈｚ

所は変形している。また、アクリル製ダミー(5Ｈｚ刻み）であり、加振条件ごとにサンプの４つのコーナーにおける緩衝材の変形量

リング周期ｌｍｓで、６０秒間継続して振動を(塑性変形量）を計測すると、①：９ｍｍ、計測した。また、落下前の試料がガタのない②：４ｍｍ、③：６ｍｍ、④：４ｍｍであった。

状態の包装物、落下後の試料がガタのある状

このことから、実際の包装物に作用する落下態の包装物である。

衝撃によって段ボール製緩衝材は変形して完全に元に戻らないために、ガタができることがわかる。

2.3振動実験

ガタのない状態およびある状態での振動テーブルから被包装物への振動伝達特性を把握するために、ダミー包装物の振動実験を実施するｃFig.７に示すように、振動試験機を用

Fig6Appearanceofcorrugatedcushioningmate｢ialsbeforeandaIterd｢opexperiment

Fig7Vibrationexperiment．

Ｆｉｇ５Ｄ｢opexperiment－５６－日本包装学会誌ＶＤＬＩ６ｊＶｎｌ（2CO刀ＪＡｃｃ.）が大きくなっている領域がある（本２．３．２実験結果

Fig.８に落下前後のアクリル製ダミーのPos．

研究では、このように増加率が大きくなる直ｌにおける振動の、入力加速度、加振周波数前の入力加速度を限界入力加速度と定義してと加速度伝達率（Pos.ｌにおける最大加速度いる)。

を振動テーブルの最大加速度（設定値）で除次に、加速度伝達率が小さな領域と大きなした値）の関係を示す。図より明らかなよう領域の加速度波形に注目する。Fig.９，１０にに、入力加速度が大きくなるとともに、加速落下前後のアクリル製ダミーのPos.ｌにおけ度伝達率が大きな領域は低周波域に変化してる振動の加速度波形を示す。ただし、Fig.９，おI)、加速度伝達率が７より大きくなる場合

１０はそれぞれ入力加速度7.35,19.6ｍ/ｓ２の波が落下後にみられる。また、入力加速度に対形であり、Fig.９（a)は加振周波数１０，５０Ｈｚ、する加速度伝達率の増加率（ｄＴｒ.／」Ａcc.、Ｆｉｇ９(b)は加振周波数１０，２０Hz、Fig.１０(a)、加速度伝達率の増分ｊＴｒ.、入力加速度の増分(b)は加振周波数10,25Ｈｚの波形である。こ０００００００００４３２１－‐､6.---.

F鱈q､:50Hｚ

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Requency(HZ）

TImB(８）T1mB（８）化）AIicrdmp（b）Afterdrop

Fig8ReIationamonginputacceIe｢ation，frequencyof
inputvibrationandt｢ansmissibiIityofacceIeration

Fig9Timehistoryofaccelerationofdummy（Input－５７－

accele｢ation:７．３５ｍ/s2）

包装!}』の非線形ｶﾞﾀﾙﾘｾﾞjMlrに関する実験的検１$iｆ

こで、ダミーの振動状態を考えると、ダミー共振しているところでは、振幅が大きくなるが下の緩衝材と接している状態（状態Ｉ）、ため、緩衝材の非線形性がみられる。さらに、上下の緩衝材に接していない状態（状態Ⅱ）、Fig.１０(b)に示す加振周波数10Ｈｚの加速度波

上の緩衝材に接している状態（状態Ⅲ）の３形は他のものと明らかに異なり、状態Ｉ、状つに分類できる。

態Ⅱ、状態Ⅲを繰り返している。このようなＦｉｇ．９より明らかなように、加振周波数

振動は、ダミーの飛び跳ねによってダミーと20Ｈｚ以外の波形では正負のピーク値が同程上下の緩衝材が衝突を繰り返す、衝突振動で度であり、状態Ｉもしくは状態Ⅱである。まある（本研究では、このような振動をガタ振た、ＦｉｇｌＯ(a)に示す加振周波数が２５Ｈｚの加動と呼ぶ)。この波形からわかるように、低速度波形では、加速度が－１０～-20ｍ/s2のと周波で入力加速度が大きくなると、ダミーのころで形状が変化し、状態Ｉと状態Ⅲを繰り飛び跳ねが起こりやすくなり、ガタ振動にな返している。この波形から明らかなように、る。

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ここでは、緩衝材やガタの影響によってダミーへの振動伝達が変化することについて考察する。ただし、以降の図はFig.８の加速度伝達率の３次元プロットを、入力加速度、加振周波数に対してそれぞれ２次元プロットし_」

３０．２

30.4

3．考察

１００－－
30.2
３０３０１直したものである。

Time(８）Ｔｉｍｅ(S）

a）BefbTcdrop

3.1緩衝材による振動伝達の変化

Ｆｉｇｌｌ(a)に落下前後の加振周波数２５Hzに

i狐liJlLjlDLi

おける入力加速度と加速度伝達率の関係（加速度応答)、Fig.１１(b)に落下前の入力加速度４．９，９８，１９６ｍ/ｓ２における加振周波数と加速度伝達率の関係（周波数応答）を示す。図(a)より明らかなように、ガタのない状態でも入力加速度が17.2ｍ/s2を超えると、加速度伝達率が急激に増大している（入力加速度に対する加速度伝達率の増加率は２であり、１７．２ｍ/ｓ２が限界入力加速度に相当する)。また、図(b)に示すように、ガタのない状態でも入力加速度が大きくなるとともに共振周波－５８－

日本包装学会誌ＷｌＩ６１ＶｂＬＪ（200刀数は低下している。さらに、ｌ自由度の線形め、本論文では詳述を避ける。

振動系の周波数応答と比較すると、各入力加以上のことから、ダミー包装物においては、速度での周波数応答曲線の幅は拡がっていガタのない状態でもダミーへの振動伝達に非る。（ここで、加速度伝達率の大きな周波数線形特性がみられることがわかる。

帯を共振帯域と呼ぶことにすると、各入力加速度での共振帯域は広帯域化している)。

３．２ガタによる振動伝達の急激な変化

次に、入力加速度の増加とともに共振周波Fig.１２(a)に落下前後の加振周波数１０Hzに数が低下する原因を考えてみると、緩衝材のおける入力加速度と加速度伝達率の関係（加非線形性が影響していると思われる。この影

速度応答)、Fig.１２(b)に落下後の入力加速度

響を明らかにするには、入力加速度の増加に4.9,9.8,19.6ｍ/ｓ２における加振周波数と加よる緩衝特性の変化や、加振中のガタの有無速度伝達率の関係（周波数応答）を示す。図についてさらに詳しく検討する必要があるたトー葱ご竃'三遣と玉ＡｎＢｒｄｌ

今一一ノ茨

２０６９／_』（ｈ戸豆〆〃、－〃足一｣【ゲベ〃向Ｆ、￣、－

一ｅ－－－Ｃ５１０１５２０５１０１５２０

InputaccBlemtjOn(m/S2）

InputacceIe厄do､(mb2）(a）AcceIerationresponse(Frequencyofinputvibration：２５Hz）(a）AcceIerationresponse（F｢equencyofinputvibration：１０Hz）1４
２０８６４２０Al-25比

InputaccelB画licn:4.9ｎＭｓｚ－－－－－－；９．８ｍ/８２

１１

PliliTill21H;:;１Ｍ::重ｉ１ｇＢｒＴＵＢ２－(二尽日冨邑頁５回も冑一一石一鬮雇臼句戸

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９句Ⅱ

三二墨三2竺二

Beb”dｌ，１９．６ｍﾉs２

二二－曰－

１０虚０１Ｗ０２０４０６０８０１００0２０４０6０８０１００

Ｆ"quBncy(HZ）

FnDquency(Hz）（b）Fm3qucncyresponscbefb冗。”pFigllReIationamonginputacceleratio､，ｆ｢equencyofinputvibrationandtransmissibiIityofacceIe｢ation．

（b）Ｆにquency妃sponsebefbrcdmp
Figl2ReIationamonginputacceIeration，frequencyoI－５９－

inpulvibrationandtransmissibiIityofacceIeratiom

包装品の非線形ガタ銀１mｸに関する実験的検Uiif

4．結論(a)より明らかなように、ガタのある状態では入力加速度が12.3ｍ/s2を超えると、加速度伝達率が急激に増大している（入力加速度に実際の包装物に作用する衝撃や振動によっ対する加速度伝達率の増加率は2.75であり、てガタができ、被包装物への振動伝達に非線12.3ｍ/ｓ２が限界入力加速度に相当する)。ま形特性がみられるかどうかを実証するためた、図(b)に示すように、ガタのある状態でに、ＤＶＤ＆ＨＤＤレコーダー入り貨物を模擬

は入力加速度が大きくなるとともに、共振周したダミー包装物の落下実験や振動実験を行波数は低下し、加速度伝達率は急激に増大しった。その結果、明らかになった結論を以下ている。さらに、ｌ自由度の線形振動系の周にまとめる。

波数応答と比較すると、各入力加速度での周（１）落下衝撃によって段ボール製緩衝材は塑

波数応答曲線の幅は拡がっている（各入力加性変形することにより、被包装物と緩衝材速度での共振帯域は広帯域化している)。しの間にガタができる。

かしながら、ガタのない状態とある状態での(2)これまでのモデルを用いた解析と異なり、共振帯域を比較すると、ダミー包装物を用いガタのない状態でも被包装物への振動伝達た実験では、モデルを用いた解析でみられたに非線形特`性（限界入力加速度、共振帯域ようなガタによる共振帯域の広帯域化（ガタの広帯域化、共振周波数の低下）がみられ、により共振帯域が拡がり、共振帯域での伝達加振条件により加速度伝達率は大きく変化

率は、他の周波数帯と比べて非常に大きくなしている（伝達率は0.3～7である)。

(3)これまでのモデルを用いた解析と同様に、る現象）は認められない。

次に、ガタのある状態で加速度伝達率が急ガタのある状態では被包装物の飛び跳ねに激に増大する原因を考えてみると、アクリル

よって被包装物への振動伝達に強い非線形製ダミーの飛び跳ねが影響していると思われ特性（限界入力加速度、共振帯域の広帯域る。Fig.１０(b)の加振周波数１０Ｈｚの加速度波化、共振周波数の低下）がみられ、加振条形からもわかるように、ダミーの飛び跳ねに件により加速度伝達率は大きく変化していよりダミーと緩衝材が衝突することよってる（伝達率は0.1～13である)。

Pos､１における振動加速度が急激に大きくな

現在の振動試験では、被包装物への振動伝っている（加速度伝達率が増大している）か達の非線形特性を考慮していない。そのため、らである。

限界入力加速度、共振帯域の広帯域化や共振以上のことから、ダミー包装物においても周波数の低下のような現象が起きると、実輸ガタがある状態ではダミーは飛び跳ね、ダミ送と室内試験の結果が一致しない可能性が高ーへの振動伝達に強い非線形特性がみられるくなる。

今後、正確な振動試験を実施していくためことがわかる。には、このような現象を考慮した新たな試験手法が必要であると考えられる。

－６０－日本包装学会誌ＶＤ１Ｉ６Ｎｕｌ“0刀5．謝辞

史、小峰博文、小野田淳次郎、伊藤宏、日本機械学会論文集、５９（Ｃ563)、41-48（1993）

この研究を進めるにあたり、ご協力いただ
きました大阪府立産業技術総合研究所の寺岸

5）津田和城、中嶋隆勝、日本包装学会誌、
１４(1)、３５４７（2005）

義春主任研究員、高田利夫主任研究員にお礼

6）津田和城、中嶋隆勝、日本包装学会誌、申し上げます。

１４(3)、181-190（2005）

7）津田和城、中嶋隆勝、斎藤勝彦、日本航く参考文献＞

海学会論文集、114,201-207（2006）

ＤＪＩＳＺＯ２３２:2004包装貨物一振動試験方8）輸送・工業包装の技術、フジ・テクノシ

法

ステム、559-562（2002）

2）ＡＳＴＭD999StandardMethodsfor

VibrationTestingofShippingContainers

9）ＪＩＳＺＯ２００:1999包装貨物一評価試験方
法通則（2001）

3）高松幸一、包装技術、4,336-341（1997）(審査受付2006年８月７日）

4）早坂靖、岡本紀明、服部敏雄、金久保貴(審査受理2006年９月27日）－６１－