安全設計の基礎知識（製品設計で考慮すべきこと）

はじめに

　過去に書いた内容で安全設計の概要です。ベテラン設計者などではあたりまえの内容かもしれませんが、これから製品開発に取り組む方、ハード系のスタートアップの方、メーカーの新入社員などがチェックリストとして使える内容にしました。製品開発ではないですがDIYでの事故防止にも役立つと考えています。

　商品開発では様々な事を考慮しなければなりません。製品の性能使用、使用技術、開発に必要なリソースやスケジュールなど基本的な事柄からコスト、生産/製造技術、物流、設置、保守、スペア、操作性、廃棄、安全性、環境保全、リサイクル、さらには取説や保守マニュアルなど様々な事柄を考慮しなければなりません。どれ一つでも欠けると製品として世の中に出せなくなります。特に安全性に関しては、市場に出してから大きな事故を起こせば、その製品だけではなく企業の存続にも影響を及ぼします。たった一つ見逃しで人が命を落とすことがあります。

　安全設計ですが、まずどのような現象が事故につながるか、物理現象を網羅的に知っておくことは重要です。安全性には主に機械的、電気的、化学的があり、機械的には振動や騒音、熱や光線、電気的には電気ノイズ、化学的には異臭なども含みます。

　前半では電気的安全性と機械的安全性について、どのような危険な現象があるかをならべてみます。後半では、できる限り想定外の事故を起こさないように設計するための手法のFMEAについて簡単に紹介します。

１．事故になる事例

　ここでは、電気的安全性と機械的安全性について問題となりそうな事象取り上げます。それぞれを詳しく記載すると紙面が足りませんので、ここでは簡単に記載しますので、キーワードとして必要があれば詳細はウエブサイト等で確認してみてください。（ここでは化学安全については省略します）

1.1   電気安全について

　電気に関わる事故は「感電」や「火災の発生」など生命に関わる重大な事故を発生させる可能性があります。

【感電】家庭用の機器でも使い方を間違えると死亡事故など重大に事故につながります。
【発火発煙】発火には様々な原因があり、過去の事例を良く調べておくと良いです。発火に至らなくても、発煙で有毒なガスが発生する場合もありますので要注意です。
【誤動作】誤動作には様々な原因があります。誤動作で怪我をするなどの事例もありますので誤動作の起こる原因を知っておくと良いです。
【電気的雑音】電源に回り込むノイズや電波ノイズなどがあり、テレビやラジオへの障害だけではなく重要な通信に障害を与えることがあります。また、ノイズが他の機器の誤動作させることがあります。日本にはVCCIという自主規制があります。

　これらの電気的な事故を防止するために、製品によって様々な法令や業界自主基準などが設けられているものが多いです。

1.1.1  感電について

　機器で起こる感電には主に２種類が存在します。
１）大地との電位差で起こる、
２）電位差がある２か所を触った場合に起こる
　一般ユーザーの感電の多くが１）大地との電位差での感電です。これは100V電源などでは片側が接地されているためで、接地されていない方を触ると人体を通して電流が地面に流れ感電します。人体や床などはある程度電気抵抗がありますので100Vのコンセントを触ってもビリビリするだけで済む場合もあります。

　次に２）の電位差がある２か所を触って起こる感電ですが、直接体内を流れるため危険です。人体は10m～20mA流れると筋肉が動かなくなり、50mA程度以上の電流が流れると心肺停止することもあります。感電の多くは機械内部のメンテナンスで電源を切らずに作業して起こる感電が多いようです。

1.1.2  電気による発煙発火

　有名な電気での発火事故はトラッキング現象です。プラグ部分に埃がたまり、埃が吸湿すると電流が流れて埃が炭化し、電流が増えると発熱発火するという現象です。埃が溜まりやすい電極などの設計では要注意です。他に発煙発火事故が多い現象としては接触不良があります。大きな電流で端子などが緩むと、そこが抵抗になり過熱発火するというものです。端子部の他に電気部品の素子不良などでも発火する可能性はありますので、万が一発火しても火が広がらないように、部品のすぐ近くや落下しそうな部分を不燃性や難燃性にするなどの考慮が必要です。

　最近、ノイズ対策等で使用される部品として導電性プラスチックなど非金属のものがあります。金属類は誰でも電流が流れて充電部が接触すると危ないと直観的に理解しているのですが、プラスチックなら電流が流れないので安全だと思ってしまいます。

1.1.3  電気的誤動作

　誤動作は突然意図しない動作をする減少で、怪我をするなど重大な事故になることがあります。運転中の自動車が誤動作したらあわてるでしょう。

　電気的な誤動作の原因としては、信号線が切れたり、直接他の信号等と接触したりすることで誤動作する場合があります。また、非接触でも信号線にノイズが入ることによる誤動作もありますし半導体の不良などもあります。CPUでコントロールしている場合はソフトウエアバグも考えられます。誤動作はなるべく起こさない設計をすること、万が一誤動作が起こっても致命的な事故にならないような設計が重要です。

　絶対にやってはいけない設計として、信号線が切れる、あるいは、コネクタが外れたときに暴走するような設計です。例えば自動車のアクセルで配線が外れるとフルスロットルになるような設計は危険です。

　よくある誤動作の原因として、隣り合った信号線の端子の間に導電性の異物が接触して誤動作する場合があります。また隣り合った信号線で起こるトラブルとしてウイスカーやイオンマイグレーションなどがあります。信号線の間にグランド線を割り当てて混触させないとか、誤動作を引き起こす信号線は近づけないなどの設計をしてください。

　電気部品が発生するノイズによる誤動作も要注意です。モーターやソレノイドなど大きな電流が流れる配線とセンサー類などの信号線を平行させてしまうと、ノイズが信号線にのって誤動作することがあります。ノイズは機械自身のノイズによる場合もありますが、外来ノイズによる誤動作も考えられます。特定の無線周波数に対して誤動作を起こす場合もあります。落雷によるサージノイズ、電源の瞬時停電、突然の停電などに対しても安全に停止するなどの配慮が必要です。

1.1.4  電気的雑音

　モーターなどの電気機器がオンオフするときや運転中に電流の変化することで電源ラインを通してのノイズが伝わります。最近では少なくなりましたがエアコンが動くと蛍光灯がチカチカする現象などの経験があるでしょう。また、電子回路などからは電波のノイズが出ます。ノイズが大きければ他の危機に影響を与えますし、通信に影響を与えることもあります。これらのノイズを抑えるためには筐体設計など重要ですが、メーカー各社のノウハウになっていることも多いです。趣味のアマチュア無線が電波ノイズ削減で役立ちました。

1.2      機械安全について