戦略的技術者を目指せ－戦術的技術者から脱皮－
品質工学会名誉会員
原 和彦

１． 最近の話題から
笹子トンネルの天井落下事故は，安全点検の問題ばかりがクローズアップされているが，この事故の基本は「事故が起きた時に、被害を最小にする設計問題」である。人間の寿命と同じように全ての部品は劣化するものであるから，十分な時間がたてば故障率は 100％になる。
その前提で設計するなら，どのような構造にすべきかを考えるのが戦略的技術者ではないだろうか。設計者の責任を自覚すれば，単に天井を支える構造の機能設計をすればよいという事ではないはずである。
点検や劣化時の事故防止など，設計者の責任を自覚すれば，自然と戦略的思考になるはずである。
最初，テレビであの構造図を見た時，天井はもっと軽い材質だと思った。１トンもあるコンクリートの板材なら，それを支える梁構造が必要のはずである。中央の支えのボルトが破損しても落下事故は防げる構造ぐらいは必要である。
空気の流通だけが目的であれば，天井板は鉄板を使う必要もなく，安全設計で，ボルトが抜けても天井板を支える梁構造にすべきである。戦略性のない技術者は，失敗を「想定外」で逃げる。
品質工学では，損失関数を使った安全設計の事例「ディスコの照明落下事故」を思い出させる。
この事例では，安全設計がない場合は，6 名
表１ シャンデリア照明器具の安全設計の死者が出たので 9.3 憶円の被害が発生したのである。
安全設計がある場合，修理費用は 200 万円で済み，死者は出さずに済むのである。チェーン
引張強度 3.2tf／本で，照明器具の重量が 1.6tfであるから，機能限界を 1.6tf として，チェーン本数 2 本を使い，安全率４として引張強度6.4tf でも品質損失は 12.5 万円で済む。
それでも品質損失は価格 30 万円より小さく過剰品質である。この場合，ワイヤーの長さを短くして照明が頭上で止まるようにした場合，チェーン 2 本でも社会的損失を最小にすることができて，チェーが切れた場合でも被害を最小にすることができるのである。
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最近の話題その２（ボーイング７８７機のトラブル続出）
最新鋭機のボーイング７８７の相次ぐトラブルは、大事故につながる恐れがあることが分かってきた。
７８７機は鳴り物入りで登場して２年、日本製の国産部品が３５％を占めているそうで、日本企業の再生が期待された航空機である。
従来機に比べて電子部品がはるかに多く、「電気飛行機」と揶揄されているくらいである。自動車の場合でもそうだが、従来、機械的に操作している部分が電子化で低コスト小型軽量化になることは大変結構なことであるが、新技術を従来技術にするためには、信頼性や安全性を高めないと使ってはならないのである。
今回問題になっているバッテリのリチューム電池は新しい技術ではないが、駐機中でも発火などを起こしたということは、機能性評価が十分でなかったことが想像できる。ノイズとの交互作用の実験が欠けていたのではないだろうか。
京都のユアサ電池が小型で大きな電流が確保できるということで、４個も搭載されているとのことであるが、機能性評価をどのように行ったか聞いてみたい。
技術者の話では、ボーイングから指示された試験の基準に合格することで製造していた。しかもLi 電池は日本製、充電器は米国製、システムのまとめはフランス製と複雑な管理が行われていた。
品質工学では、電池の機能性評価は充電特性や放電特性の過渡特性について、ノイズを温度など使用環境条件にとって、SN 比で評価を行うことになっている。耐久性も SN 比で相対評価が出来るのである。生産者がノイズもわからずに与えられた試験だけで出荷していたことが問題である。
そのほか機体はプラスチックや薄型の鉄板などを多用して、薄型軽量化を狙って、低コスト化を図ったが、それが裏目にでたのではないだろうか。
私の想像であるが、軽量化と低コスト化のため、部品を削減して、機能性能を重視してシステムを単純化してノイズに弱い設計であったと推察できる。
いうまでもなく、「機能性設計（ロバスト設計）」が行われていない「機能設計」だけの飛行機なのではないか？ ノイズとの交互作用を利用して、システムを複雑にしないと「ロバスト性」は確保できないのである。
従来のように品質を高めるために、信頼性試験や寿命試験を行っているが、まったくだめな設計である。システムを複雑にして、パラメータ（設計定数）とノイズとの交互作用実験で「最適化設計」を行わなければ、市場における品質は向上しないのである。日本の企業の多くは、従来の品質管理にこだわって、工程品質の不良率や故障率の改善で「工程で品質を作りこめ」と主張してきたが、これでは市場品質は向上しないのである。
デミング博士は晩年、品質管理の考え方（Cpk や ZD（ppm 管理）やシックスシグマなど）は間違っているから永久に止めて、品質工学の田口損失関数を用いることがベターであるといわれていた。問題が起きると「原因追求」を行うが、源流や上流の技術開発や商品設計で「ロバスト設計」を行うことが大切である。
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２．品質工学が戦略といわれる理由
2.1 部分最適から全体最適へ（従来設計とロバスト設計の違い）
田口博士は常々「技術の総合判断の議論が必要」と言われていたが，多くの企業は目先の部分的な仕事に追われて，技術者の役割と責任を忘れているのではないだろうか。
戦略的技術者は，モノ・コトの変革にシステムの「全体最適」を考えて，表 1 のような安全設計
でも，品質とコストの和の社会的な損失の最小化に結び付けることが大切であると考えている。
もう少し分かりやすく言えば，仕事の目的を明確にして，仕事のやり方を効率的に改善して、個人の自由の和を拡大して，余った時間を新しい仕事や，人間形成に必要な趣味に活かすことが大切であると考えている。
しかし，大学では細分化された専門技術を学び，企業では仕事が細分化され，クローズループの組織が形成されて，部分的な目標が設定されて，お客の立場や地球規模に立った全体最適化のものづくりが行われていない。このような時こそ，技術者は、目先の問題解決の戦術ではなく，将来を見据えた戦略的思考で，他社より安く，他社より品質が良い「市場生産性」を高めることが大切である。

チューニング設計
図2.1

従来設計（問題解決型）とロバスト設計（技術開発型）の比較

・品質工学が「戦略(Strategy）」といわれるのは，モノを作る前に，お客のほしい目的機能について，先行性・汎用性の高い「機能性評価やロバスト設計」を行い，試作レス・試験レスで短期間に安定性（SN 比）・再現性（直交表）の高い技術開発を行うからである。（ｎ＝１の評価）
・従来設計が「戦術(Tactics)」といわれるのは，モノを作ってから，決められたスペックの目標に対して，専門技術を使ってたくさんの試作や試験を繰り返して「モグラ叩き」で問題を解決するからである。（ｎ＝多数の評価）
32.2

クロスバー交換機の開発（1950 年代）

田口博士が戦後の混乱期に，「どうしたら故障やトラブルを起こさないものを生産の前に設計できるのか」と考えて，クロスバ－交換機の寿命４０年，電話機の寿命１５年を保証するよう AT&Tから設定され，クロスバースイッチの技術開発で，その要素技術を確立して，日本がアメリカに初めて勝った製品がクロスバ－交換機である。40 年間使えるようにするのは技術であるが，機能・価格・設計寿命の設定は、商品企画の問題で技術ではない。しかし 20 年後に電子交換方式に発展して無用になったから，40 年という設定は誤りだったのである。したがって，設計で 40 年もつように設計したことは無用だったのである。今では，機能性評価にＳＮ比を使っているが，当時もお客の使用条件，使用環境条件，使用期間をノイズと考えて、初期値の「変化率」で寿命を推定されていたのである。
y y「変化率」は t 0 100% で表し、ノイズとの交互作用で評価した。しかし，変化を小さくy0できたが，初期値を変えることができなかった。

2.3

その後，SN 比と感度に進化した。

品質工学における「４つの戦略」とは何か
技術開発の「４つの戦略」は下記のように考えている。
技術者は専門技術を使って自然界にない人工的なシステムを創造するのであるが，田口博士は「システムを評価するときには、専門技術を使ってはならない」として，先行性・汎用性・再現性の高い評価技術を「技術戦略（技略）」と考えている。
経営者の責任はバランスシートで評価される結果責任であるが，技術責任者は研究開発の効率化で顧客がほしい市場生産性（他社より安く、他社より品質が良い）を高めることが役割と責任である。研究開発の能率が悪いのはテーマ選択の悪さと設計・試作やテストにかかる開発期間の長期化であるから、研究開発の戦略は右表の４つの戦略が大切である。
技術者はこの戦略に基づいて、お客のほしい目的機能を分割して、機能性評価を行うが、その場合、システムの分割でなく、機能の分割でなければならない。
パラメータ設計では、複雑なシステムでなければ改善はできない（無用の用）SN 比と直交表の活用は、下流における設計の評価と検査のためであて、改善は専門技術（制御因子）で行う。

「４つの戦略」をマネジメントするのは「技術責任者の役割と責任」である。
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３．消費者の立場で行った開発事例－マッサージ機の開発－
筆者が在籍した企業で体験したマッサージ器具の開発事例で，具体的な説明を行う。
1970 年代の企業は TQC が全盛でデミング賞を取得することが，企業のステータスになっていた。
当時，松下電工㈱の健康機事業部では健康づくりを目指してマッサージ椅子の開発を目指していた。
そこで，行われたことは顧客のニーズを技術手段に変換する開発を「Ｓ－Ｈ変換」と名付けて，技術開発や商品設計を行った。

このＳ－Ｈ変換の内容は，その後，肩たたき機の開発に発展した事例を紹介する。
図３．５は肩たたき機の開発プロセスを示したものである。
この事例では、「肩の凝りをほぐして欲しい」というのがお客の要求であるから、目的機能はプロのマッサージ師の手技のたたき力と考えて、マッサージ師の手技の計測から開発が始まった。手技を分類すると、図３．７に示すように、拳打法（こぶしたたき）や切打法（はり扇たたき）や空気手（ダンパーたたき）があるが、たたき力について３種類の過渡特性を計測した。目的機能を満足するた5

めには、「たたき機能」だけでなく、「運動伝達機能」と「運動制御機能」が独立機能として考えられるから、それらのシステムも同時に創造する必要があるが、「たたき機能」に絞って技術開発プロセスを説明する。
「たたき機能」は、入力電力をたたき力のエネルギーに変換することであるから、たたき力を発生するシステムをたくさん創造することになる。図３．８はたたき力を発生する技術手段を５種類考案した。その中で、機能とコストと技術力の面で考えて、ソレノイド機構を選択した。次には、
図３．６に示すように、ソレノイド機構の中で、入力電力をたたき力に変換する効率がもっともよい機構として「誘い込み無極型ソレノイド」を最適システムとして選択して、パラメータ設計を行う。同様にして、サブシステム（伝達機能，制御回路機能）はそれぞれ独立機能であるから，それぞれの機能について、機能性評価とパラメータ設計を行って，技術開発を完了する。
商品開発における「全体最適」は、目的機能（過渡特性）を満足するように，目標曲線にチューニング設計を行うことになる。
商品開発の段階では、部品の共通化は勿論であるが，機能性評価の汎用性が大切である。

図3.7 プロのマッサージ師のモミ手技波形

図3.8

たたき機能のシステム選択

図 3.6 の「システム設計」では，効率（性能）を高めたシステムであるから，その後で，「機能性評価とパラメータ設計」で，安定性と再現性を図る設計の最適化が必要になる。
図３.７に示すような「たたき機能」の目標曲線がある場合，標準 SN 比を用いて機能性評価を行った後で，最適条件の感度でβ１＝１，β 2 ＝0 になるように制御因子を使って目標曲線にチューニングを行う。

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４．パラメータ設計の極意は「無用の用」―システムは複雑でなければ改善できない―パラメータ設計においては、「システムは複雑でなければ改善できない」と言われている。
これは荘子が唱えた「無用の用」に通ずるものがある。
中国の孔子のような崇高な理念の持ち主とは対照的な人物に老子や荘子がいるが，孔子を人生の「ユークリッド哲学」とすれば，価値観の座標が現実把握を重視した「非ユークリッド的」な発想の持ち主が老子や荘子である。荘子が唱えた「無用の用」は空のところが役に立つと考えた。
「有るもの」に対して「無いこと」に価値を認めた考えが無用の用である。
道幅も足の幅だけでは自由に歩けないように，パラメータ設計でも、たくさんの無駄と思われる制御因子による「非線形効果」のおかげで，ノイズに強い安定化設計が可能になるのである。
現在の変化の激しい世の中では，世の中が濁っていたらいっしょになって泥水を跳ね返すことが必要であって，融通無碍に行動することが大切である。
「非線形効果」とは，パラメータ設計の最初では，制御因子とノイズとの交互作用（善玉）でノイズの影響に強い制御因子を選んで「ロバストネスの研究」を行い，その後で，制御因子の「線形効果」を利用して，目標値へ合わせ込む「２段階設計」を行うことがパラメータ設計の特徴である。
「再現性」のチェックは「直交表」で，「安定性」のチェックは「SN 比」で行う。

●「無用の用」の具体事例（その１）田口博士がパラメータ設計で，システムが複雑でなければ改善はできないといわれて，制御因子は沢山必要であることを力説されたのも奇想天外の着想といえよう。
図 4.1 に示す回路は、ＬＣ発振回路で，制御因子は，電源回路，抵抗，インダクタンス，キャパシタンスの４個しかない。

図 4.1 LC 発信回路

図 4.2 セラミック発信回路

図 4.2 に示す回路は，セラミック発振回路
で，機能は同じであるが，制御因子はさらに複雑である。
もっとも複雑な図 4.3 に示す回路は，トランジスタ発振回路であるが，図 4.1 や図 4.2 に比べて，はるかに複雑な回路で，制御因子は数十個以上ある。
システムは合理的だが複雑なものがよく，システム選択の難しさはそこにあるのである。
同じ機能でも単純なものは制御因子が少ないので，機能性の高いパラメータ設計はうまくいかないのである。（安定性・再現性）

図 4.3 トランジスタ発振回路

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 「無用の用」の具体事例（その２）
1．信頼性試験でトラブル発生
デイジープリンターを開発したとき、電磁石のプランジャーが内部から発生する発熱で「２度打ち」を起こす現象が発生した。
原因は、プランジャーが衝突するゴムの緩衝体が温度上昇で硬化するという現象が起きたのである。
バウンド量の規格が 0.5mm 以内に対して最大 2.5mm まで上昇した。

電磁石のコイルに加わる入力電流によって、プランジャーは動作と復帰を繰り返しますが、復帰したときに緩衝体に衝突して跳ね返るためバウンド量が発生します。バウンド量を 0.5mm 以内に抑えることが今回の技術課題です。

図１ プランジャーの動作特性図

２．

システム設計とパラメータ設計

品質工学ではコンピュータシミュレーションを活用して、プランジャーの衝突前後のマクスウェル運動方程式を使って、パラメータ設計を行った結果、温度変化のノイズに強いシステムを考案することに成功した。

図２ システム設計の構造図

図３ パラメータ設計の構造図

パラメータ設計においては、システムが複雑でなければ、大きな改善はできないと考えている。
その理由は、制御因子が沢山あることによって，ノイズと制御因子との交互作用による非線形効果によって、温度などのノイズの影響に強い制御因子の水準が見つかるのである。
最初のシステム設計では、図 2 のような単純な構造であったため、図 4 に示すように、電磁石自体の温度上昇でプランジャーの２度打ち現象が発生してバウンド量が，許容差の 0.5mm を遥かに越える状態が起きた。
反省であるが，システム選択の段階では，CAE を活用して，複雑なシステムを考案することが大切であることが分かった。

8(mm)

バウンド量システム設計(mm)

システム設計

(mm)

バウン
ド量

パラメータ設計

目標値(0.5mm)

パラメータ設計
目標値上限

周囲温度（℃）

時間(t)

図 ４ 周囲温度とバウンド量の関係

そこで、この問題を解決するために、図５のようなシミュレーションモデルの等価回路を考えて、プランジャーが衝突する前と衝突後のマックスウェルの運動方程式をつくり、パラメータ設計を行った。
M：カップの慣性質量
K1：緩衝体の等価ばね定数
C1：緩衝体の等価粘性係数
K2：カップ支持部 A の等価ばね定数

図 ５■

C2：カップ支持部 A の等価粘性係数
K3：カップ支持部 B の等価ばね定数
C3：カップ支持部 B の等価粘性係数
m ：プランジャーの慣性質量
K4：復帰ばねの等価ばね定数
C4：復帰ばねの等価粘性係数

シミュレーションモデル

プランジャーが緩衝体に衝突する前後の運動方程式を使って「バウンド量」を「ゼロ望目特性（バウンド量 X1=±０）」として解析した。

ΔXi：K2 ，K3 の圧縮量

ゼロ望目特性の SN 比 n  1 X  X  db  10 logVe  10 log 1211

プランジャーが衝突する前後の運動を，下記のマクスウェルの運動方程式で解析した。

dXdX
 dX dX m 12   K1 ( X 1  X 2 )  C1  1  2   K 4 X 1  C 4 1  Fset
dt dt
dt
 dt
2dX
dXdX
 dX dX M 22  K1  X 1  X 2   C1  1  2   K 2  X 2  X 2   C 2 2  K 3  X 2  X 3   C3 2dt dt
dt
dt
 dt
2

上式はプランジャーが「運動中」で，下式はプランジャーが「衝突中」の運動方程式である。
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■ 制御因子と誤差因子の水準の設定
水準
制御因子
Ｍ：カップ質量（ｇ）
K1：緩衝体ばね定数(kgf/mm)
K2：カップ支持 A ばね定数(kgf/mm)
K3：カップ支持 B ばね定数(kgf/mm)
ΔX：K2,K3 の圧縮量（mm）

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３

Ｍ１
１０
１０
１０
ΔＸ1

Ｍ２
5000
5000
5000
ΔＸ2

Ｍ３
10000
10000
10000
ΔＸ３

水準
誤差因子
Ｍ：カップ質量（ｇ）
K1：緩衝体ばね定数(kgf/mm)
K2：カップ支持 A ばね定数(kgf/mm)
K3：カップ支持 B ばね定数(kgf/mm)
ΔX：K2,K3 の圧縮量（mm）

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３－10％
－20％－20％－20％－40％０0000＋10％＋20％＋20％＋20％＋40％■ 要因効果図の作成

表 2 は，直交表（L27,L18,L36）で寄与率を比較したものである。L27 は交互作用を求められるが，L18 では交互作用は各列に均等に割りつけられて「誤差」と考えられる。
CAE シミュレーションでは，モノにこだわらず，制御因子の水準幅を大きくとった「レスポンスの研究」で，最適システムを選択することが大切である。
最適システムで，パラメータ設計を行うときには，制御因子の水準幅は，決められたシステムの範囲以内で，水準を大きくとって，機能性の評価を「SN 比」で下流への再現性の検査を「直交表」で行うことが大切である。

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表 3 は，パラメータ設計による社会的損失の改善結果である。
設計段階
品質損失
平均値
ばらつき
コスト（円）（円）

全損失（円）

システム設計

2.230

5.160

10,320Ｃ

10,320＋Ｃ

パラメータ設計

0.375

0.154

308

Ｃ＋15323＋Ｃ

許容差設計

0.240
0.068
136
Ｃ＋15151＋Ｃ
表 3. 設計の各段階における品質損失とコストの比較

品質損失は市場における損失で、下式の「損失関数」を用いる。
L円＝A０
０2 2 4500
 21.5 2

ここに A0（円）は機能限界 Δ0=1.5mm を越えたときの損失金額(4500 円)

３．２１世紀の品質工学（標準 SN 比）
最近の品質工学においては、望小特性のような加法性のない品質特性ではなく、加法性の高い機能性の評価が普通であるが、更に応用範囲が広く「安定性」「再現性」が高い「標準 SN 比」を用いてパラメータ設計することが当たり前になってきた。
■

このソレノイドでは、プランジャーが単独で飛行中の「機能性」は次のように評価します。
すなわち、入力電流（M）を「信号因子」と考えて，出力変位（y）の過渡特性の機能性を評価すればよい。
この場合，時間は「標示因子」である。理想機能は時間
ノイズ
N0【M（t）】
N1N2y(t)=β M(t) と考える。

T1T2

T3

T4

T5y101y111y121y102y112y122y103y113y123y104y114y124y105y115y125

N0：出力変位の標準条件でこれを信号として、N1 と N2 で SN 比を求める。
N1：正側の最悪条件 N2：負側の最悪条件 Ti：過渡応答時間
このような機能性の評価は「２１世紀の品質工学(標準 SN 比) 」と呼ばれている。

５．まとめ
戦略的思考では，全体機能を主機能とサブ機能に分割して，CAE 活用で試作レス・試験レスの技術開発をSN 比の活用で機能性評価（安定性）をSN比で行い，機能の下流での（再現性）は，直交表を使ってパラメータ設計でチェックを行い，システムの最適化を図る。
（パラメータ設計では制御因子間の交互作用は排除しなければならない）
しかし，システム設計はAufheben（止揚）の世界であるから，CAEシミュレーションで，直交表を活用して，主効果や制御因子間の交互作用を活用して，性能を高める「レスポンスの研究」を行えばよい。
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