信頼性工学の超基本｜故障しにくさをデータで考える考え方を解説

製品や設備は、出荷時や据付時に問題がないだけでは十分ではありません。使用を続ける間、求められた機能を安定して維持できることが重要です。

信頼性工学とは、製品や設備が、要求された条件のもとで、必要な期間にわたり正常に機能できるかをデータで考える分野です。簡単に言えば、「どのくらい壊れにくいか」「いつ頃から故障しやすくなるか」を考える学問です。

この記事では、信頼性工学を初めて学ぶ方に向けて、基本的な考え方、代表的な指標、実務で重要となる視点を順に解説します。

信頼性工学とは？

信頼性工学では、「出荷時に良品だったか」だけでなく、製品や設備が実際の使用条件で、必要な期間にわたり機能を維持できるかを考えます。自動車部品なら走行距離、工場設備なら稼働時間、電子部品なら使用年数など、対象に合った時間軸で故障を捉えます。

信頼性は単に「一度も故障しないこと」だけを意味しません。故障がいつ起きるか、故障の発生頻度が時間とともにどう変わるか、故障後にどの程度早く復旧できるかも、実務上の重要な評価対象です。

品質管理との違い

品質管理では、製品や工程が要求・規格を満たしているかを評価します。信頼性工学では、そこに特に「時間」という要素を加え、使用期間中に機能を維持できるかを評価します。両者は対立するものではなく、安定したものづくりを支える補完的な考え方です。

信頼性工学でよく使う基本指標

信頼性データを読むために、まず次の5つの指標を押さえましょう。指標ごとに「何を対象に、どの時間を見ているか」が異なります。

信頼度 R(t)

信頼度R(t)は、時刻tまで故障せずに機能している確率です。Tは製品や設備の故障時間を表します。

例えば、1000時間時点のR(t)が0.90であれば、同じ条件で使用される製品群の約90％が1000時間まで故障せずに機能している、という意味です。

故障率 λ

故障率は、単位時間あたりにどの程度故障が発生するかを表す指標です。次の式は、観測期間全体における平均的な故障発生頻度を表します。

・λ：故障率

・k：観測期間中の故障件数

・T：総稼働時間

故障率は時間とともに一定とは限りません。一般に、初期故障、偶発故障、摩耗故障という段階で故障率が変化する考え方をバスタブ曲線と呼びます。

MTBF

MTBF（Mean Time Between Failures）は、修理可能な設備における、故障と故障の間の平均稼働時間です。ポンプ、コンプレッサー、生産設備など、故障後に修理して再稼働する対象に用います。

MTBFが1000時間でも、必ず1000時間ごとに故障するという意味ではありません。故障間隔にはばらつきがあり、長期的な平均として故障間隔が1000時間程度という意味です。

MTTF

MTTF（Mean Time To Failure）は、故障後に修理して再使用しない非修理系製品の平均故障時間です。LED、電池、ヒューズ、一部の電子部品などで用います。

これは全サンプルの故障時間を観測できた場合の基本的な表し方です。試験終了時点でまだ故障していない製品がある場合は、打切りデータを考慮した解析が必要になります。

B10寿命

B10寿命は、累積故障確率が10％となる時間です。この時点では、製品群の約90％が故障せずに残っていることを意味します。ベアリングや自動車部品など、一定割合の故障が生じる時期を管理したい場面で利用されます。

故障率、MTBF、MTTFの違いと計算方法については、こちらの記事で詳しく解説しています。 寿命分布やB10寿命を詳しく評価する場合は、ワイブル分析が利用されます。

MTBFとMTTFの違い

MTBFとMTTFはいずれも「平均時間」を表しますが、対象が異なります。設備を修理して繰り返し使うか、故障後に交換するかを最初に確認すると区別しやすくなります。

信頼性を考えるときの3つの視点

実務で信頼性を考える際には、製品そのものの耐久性だけでなく、故障後の保全性や、人と設備・手順・組織の関わりも重要な視点になります。以下は普遍的な「3要素」という分類ではなく、信頼性を幅広く検討するための観点です。

耐久性

耐久性は、使用や環境による劣化に対して、必要な機能をどの程度維持できるかという視点です。

・摩耗しにくい

・長時間使用しても性能が低下しにくい

・高温や湿気などの環境に耐えられる

保全性

保全性は、故障・異常時に、点検、修理、交換などの保全作業をどの程度容易・迅速に実施できるかという性質です。「故障しにくさ」そのものではなく、故障後の復旧しやすさに重点があります。

修復までに要する平均時間を表す指標にMTTR（Mean Time To Repair）があります。MTBFが故障間隔を見るのに対し、MTTRは復旧に必要な時間を見る指標です。

人間信頼性

人間信頼性では、作業者個人の注意だけでなく、人と設備、手順、表示、教育、組織、作業環境の相互作用を考えます。ヒューマンエラーは、誤操作しやすい設計や分かりにくい手順によっても起こり得ます。

信頼性はなぜ重要なのか

製造業で信頼性不足が与える影響

信頼性不足の影響は重大事故に限りません。日常の製造現場でも、市場クレーム、保証費用、設備停止、生産ロス、保守費用の増加、安全リスク、ブランドへの信頼低下につながります。

信頼性データを蓄積すると、「故障が増える時期はいつか」「予防保全をいつ実施するか」「保証期間をどう設定するか」といった判断を、経験だけでなくデータに基づいて行いやすくなります。

実際の事例から考える

2007年にエキスポランドのジェットコースター「風神雷神Ⅱ」で脱輪事故が発生し、1名が死亡、複数名が負傷しました。国土交通省の公表資料では、車両が脱輪した事故の概要とともに、遊戯施設の点検状況や緊急点検の必要性が示されています。これは単に部品の耐久性だけに帰すのではなく、検査、保全、運用、安全管理を含む仕組み全体の重要性を考える事例です。

出典：国土交通省「ジェットコースター『風神雷神Ⅱ』の死亡事故について」

1999年のJCO東海事業所臨界事故では、ウラン溶液を臨界安全形状ではない沈殿槽へ投入し、臨界状態が発生しました。事故を作業者個人のミスだけに単純化せず、工程設計、作業手順、教育、運転管理、組織的な安全管理を含めて捉える必要があります。信頼性と安全を守るには、人・設備・手順・組織を一体として考えることが重要です。

出典：JAEA ATOMICA「JCOウラン加工工場臨界被ばく事故の概要」

さらに詳しく信頼性を評価するには

入口として代表指標を理解したら、次は目的に応じて具体的な計算や寿命分布の分析へ進みます。

故障率・MTBF・MTTF

設備の故障記録や製品の故障時間から指標を計算し、使い分ける方法は、「信頼性の指標を徹底解説（故障率 / MTBF / MTTF）」で具体例とともに解説しています。

ワイブル分析

故障率が時間とともに変化する場合、B10寿命を推定したい場合、打切りデータを含む寿命分布を評価したい場合には、ワイブル分析を利用します。形状パラメータから、初期故障型・偶発故障型・摩耗故障型の傾向を確認することもできます。

まとめ

信頼性工学では、「時間」という軸を加えて、製品や設備が必要な機能をどの程度維持できるかを評価します。出荷時の品質だけでなく、使用中の故障、寿命、復旧しやすさまで考えることで、市場クレームや設備停止、生産ロス、安全リスクを減らす判断につなげられます。

最初に理解したいのは、時刻tまで機能する確率を表す信頼度R(t)、故障発生の程度を表す故障率λ、修理可能設備の平均故障間隔であるMTBF、非修理系製品の平均故障時間であるMTTF、累積故障確率が10％となるB10寿命です。

実務では、製品そのものの耐久性だけでなく、点検・修理・交換のしやすさを表す保全性や、人・設備・手順・組織の相互作用も合わせて確認します。一つの平均値や指標だけで信頼性のすべてを説明することはできません。

学習の順序としては、まず本記事で基本概念を押さえ、次に故障率・MTBF・MTTFの計算と使い分けを確認し、実際の寿命分布や故障率の時間変化まで評価したい場合はワイブル分析へ進むと理解しやすくなります。