可靠性设计辅助装置、可靠性设计辅助方法以及可靠性设计辅助程序

摘要

本发明涉及可靠性设计辅助装置、可靠性设计辅助方法以及可靠性设计辅助程序。关系式计算单元(10)对数据列进行近似计算来计算关系式，所述数据列将根据用户或者环境而变化的对象因素的值与在使用对象装置时计测到的输入应力计测值建立关联。输入应力计算单元(20)根据关系式和对象因素的指标数据来计算输入至对象装置的输入应力。故障率计算单元(40)根据输入应力和对象装置的特性值分布来计算对象装置的故障率。

说明书

技术领域

本发明涉及可靠性设计辅助装置、可靠性设计辅助方法以及可靠性 设计辅助程序。

背景技术

近年来，针对制造业者的安全性要求提高起来。与此相伴，产品开 发时实施风险评估是必须的。一般的风险评估例如通过以下的工序执 行。

首先，执行“(1)产品的使用、错误使用的明确化”。这是确定使 用产品的用户、所计划的使用场面，并对能够预见的错误使用进行明确 化的工序。接着，执行“(2)故障率的估计、以及发生频率的估计”。 这由估计产品的使用以及错误使用给予构成产品的部件的输入应力(负 荷)，估计故障率的工序(2－1：故障率的估计)、和考虑错误使用频率、 部件故障概率，来估计风险的发生频率的工序(2－2：发生频率的估计) 构成。

另外，与上述(2)的工序并行地执行“(3)障碍的确定、障碍所 给予的风险的程度的估计”。这由确定由于产品使用以及错误使用而引 起的故障、举动引起的障碍的工序(3－1：障碍的确定)、和估计障碍 所给予的风险的程度的工序(3－2：风险的程度的估计)构成。

然后，在上述(2)以及(3)的工序后执行“(4)风险的评价”。 这是用通过上述工序计算出的风险的发生频率以及风险程度这两个轴 进行评价，并进行风险评价的工序。在上述(1)～(4)的工序中估计 故障率的工序(2－1)中进行高精度的故障率的估计，这非常重要。

在专利文献1中公开有计算设置于屋内来利用的家电产品等的故障 率的可靠性设计辅助装置。该可靠性设计辅助装置明确化不良发生的基 准值，对照部件特性值的概率密度分布和该基准值，来计算故障率。

另外，在屋外环境中使用的产品的市场中，进行了使用应力－强度 模型的故障率的计算。在使用应力－强度模型的方法中，通过计测等将 市场中的输入应力等定义为分布，对照该分布和部件特性值的概率密度 分布，来计算故障率。

专利文献1：日本特开2002－149714号公报

非专利文献1：田村泰彦、飯塚悦功著、不具合に関する設計 知識の運用に関する研究:ストレス-ストレングスモデルによる知識 獲得、Journal of the Japanese Society for Quality Control 31(1), P168-180(田村泰彦、饭塚悦功著，与关于故障的设计知识的运用相 关的研究：利用应力-强度模型的知识获得，Journal of the Japanese  Societyfor Quality Control31(1),P168-180)

然而，在使用了上述专利文献1的技术的情况下，存在以下的问题。 专利文献1所记载的可靠性设计辅助装置通过明确化不良发生的基准值 来计算故障率。但是，在输入应力波动大的情况下，无法规定不良发生 的基准值，所以无法使用该可靠性设计辅助装置。

另外，在上述一般的应力－强度模型中，如上述那样使用输入应力 分布。输入应力分布除了构成产品的部件形状、构成等的设计因素以外， 还根据用户的身体特征等、使用场所(使用产品时的路面状况等)的因 素决定。在一般的应力－强度模型中，未进行关于这些因素的考虑。

在例如汽车那样产生出较大能量的商品的情况下，用户的体重等因 素、使用场所的因素对输入应力几乎没有影响。因此，在汽车等的产品 设计时，能够根据应力－强度模型高精度地计算故障率。

另一方面，在用户的体重、路面状况等因素即根据用户、环境而变 化的因素具有与输入应力分布较大的相关性的情况下，在一般的应力－ 强度模型中导出的故障率的精度也较低。

即，在现有的技术中，存在如下问题，即在根据用户、环境变化的 因素具有与输入应力较大的相关性的情况下，无法高精度地计算产品故 障率。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其主要目的在于，提供一种可靠 性设计辅助装置、可靠性设计辅助方法以及程序，即便在根据用户或者 环境而变化的因素具有与输入应力较大的相关性情况下，也高精度地计 算产品故障率。

本发明的可靠性设计辅助装置的一个方式，具有：关系式计算单元， 其对数据列进行近似计算来计算关系式，上述数据列将根据用户、环境 而变化的对象因素的值与在使用对象装置时计测到的输入应力计测值 建立关联；输入应力计算单元，其根据上述关系式和上述对象因素的指 标数据来计算输入至上述对象装置的输入应力；以及故障率计算单元， 其根据上述输入应力和上述对象装置的特性值分布来计算上述对象装 置的故障率。

另外，在该一个方式中，优选上述指标数据是与上述用户的身体特 征相关的概率密度分布，上述输入应力计算单元基于上述关系式和上述 概率密度分布来计算关于上述输入应力的分布亦即应力分布，上述故障 率计算单元根据上述应力分布和上述特性值分布的重复来计算上述对 象装置的故障率。

另外，在该一个方式中，优选上述输入应力计算单元通过将上述对 象因素的最差值代入上述关系式来计算阈值直线，上述故障率计算单元 根据上述特性值分布和上述阈值直线所形成的分布区域来计算上述对 象装置的故障率。

并且，在该一个方式中，优选还具有输入应力分布调整单元，上述 输入应力分布调整单元通过使用在上述对象装置中使用的部件形状数 据来进行有限元分析，来调整上述输入应力计算单元计算出的上述输入 应力。

此外，在该一个方式中，上述对象因素是上述用户的身体特征、上 述对象装置的使用环境、使用上述对象装置时的实测值或者上述对象装 置的特性值，在上述对象因素是上述用户的身体特征的情况下，上述指 标数据是上述用户的身体特征的概率密度分布，在上述对象因素是使用 上述对象装置时的实测值的情况下，上述指标数据是列举了多个该实测 值的实测数据，在上述对象因素是上述对象装置的特性值的情况下，上 述指标数据是能够根据上述对象装置的性质计算出的最差值。

本发明的可靠性设计辅助方法的一个方式，执行：关系式计算步骤， 对数据列进行近似计算来计算关系式，上述数据列将根据用户、环境而 变化的对象因素的值与在使用对象装置时计测到的输入应力计测值建 立关联；输入应力计算步骤，根据上述关系式和上述对象因素的指标数 据来计算输入至上述对象装置的输入应力；故障率计算步骤，根据上述 输入应力和上述对象装置的特性值分布来计算上述对象装置的故障率。

本发明的程序的一个方式，使计算机执行：关系式计算步骤，对数 据列进行近似计算来计算关系式，上述数据列将根据用户、环境而变化 的对象因素的值与在使用对象装置时计测到的输入应力计测值建立关 联；输入应力计算步骤，根据上述关系式和上述对象因素的指标数据来 计算输入至上述对象装置的输入应力；故障率计算步骤，根据上述输入 应力和上述对象装置的特性值分布计算上述对象装置的故障率。

在本发明中，能够提供一种即便在根据用户、环境而变化的对象因 素具有与输入应力较大的相关性的情况下，也高精度地计算产品故障率 的可靠性设计辅助装置、可靠性设计辅助方法以及程序。

附图说明

图1是表示实施方式1的可靠性设计辅助装置1的构成的框图。

图2是表示实施方式1的可靠性设计辅助装置1的动作的概念图。

图3是表示实施方式1的可靠性设计辅助装置1的动作的概念图。

图4是表示实施方式1的可靠性设计辅助装置1的动作的概念图。

图5是表示使用实施方式1的可靠性设计辅助装置1的风险评估方 法的流程图。

图6是表示实施方式1的可靠性设计辅助装置1的硬件构成的框图。

图7是表示实施方式2的可靠性设计辅助装置1的构成的框图。

具体实施方式

＜实施方式1＞

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本实施 方式的可靠性设计辅助装置的构成的框图。可靠性设计辅助装置1是进 行上述产品开发时的风险评估的各工序(上述的(1)～(4))的装置。 在以下的说明中，主要对上述工序内的关于“(2－1)故障率的估计” 的构成以及动作进行说明。

此外，作为可靠性设计辅助装置1进行设计辅助的对象的装置(对 象装置)可以是任意的产品。例如对象装置是紧贴人体的电动自行车、 小型移动可动装置、安装型机器人等。这些对象装置主要是与人体接触 的装置，是按照每个用户而变化的因素(例如体重)以及环境(使用了 对象装置的路面状况等)的因素对于输入应力占主导(影响非常大)的 装置。例如，若用户的体重增减，则给予产品的应力变化较大。

可靠性设计辅助装置1具有关系式计算单元10、输入应力计算单元 20、特性值分布计算单元30以及故障率计算单元40。以下，对各单元 的详细进行说明。

关系式计算单元10读取应力计测值文件。所谓应力计测值文件是 指记述有数据列的文件，数据列将某因素(在以下的说明中，也记载为 对象因素。)的值和与该对象因素的值对应的应力计测值建立关联。这 里，对象因素是可以根据用户、环境而变化的因素，应力计测值是在使 用了对象装置的情况下计测出的值。例如在应力计测文件记述有将各用 户体重的重量与各用户使用了对象装置的情况下的应力计测值建立关 联的数据列。此外，作为记述于应力计测文件的对象因素，除了体重以 外，还可列举出身高、鞋大小等身体特征、身高与小型移动可动装置的 手柄高度的比等。

关系式计算单元10通过使用一般的近似方法解析应力计测值文件 的数据列，来计算表示对象因素的值与应力的大小之间的关系的关系 式。关系式计算单元10例如使用响应曲面法作为近似方法来计算关系 式。此外，关系式计算单元10也可以使用多元回归分析(multiple  regression analysis)等作为近似分析方法。关系式计算单元10将计算 出的关系式供给至输入应力计算单元20。

输入应力计算单元20读出记述有对象因素的指标数据的指标数据 文件。例如指标数据文件记述有对象因素的概率密度分布。在该情况下， 在指标数据文件记述有将横轴作为体重将纵轴作为分布比例的曲线图 信息(或者与此类似的信息)。此外，优选对指标数据文件使用如人体 统计数据那样可靠性高的已知的数据。输入应力计算单元20基于关系 式计算单元10计算出的关系式和指标数据文件，来计算输入应力分布。

在指标数据文件除了如上述那样记述概率密度分布以外，还能够预 先记述实际测量出的统计数据、可以逻辑计算出的最差值。作为实际测 量出的统计数据，例如能够使用小型移动可动装置使用时用户的双脚位 置的分布。另外，作为可以逻辑计算出的最差值，例如包括根据对象须 地的设计规定的马达的最大扭矩、最高速度、使用环境的化学物质浓度 (根据IEC(International Electrotechnical Commission：国际电子技 术委员会)标准而被标准化的值)，等等。

所谓输入应力计算单元20计算出的输入应力分布是指横轴取应力 的大小且纵轴表示发生频率的信息。输入应力计算单元20通过对于关 系式计算单元10计算出的关系式和指标数据文件，进行例如使用了蒙 特卡洛方法的解析来计算输入应力分布。输入应力计算单元20将计算 出的输入应力分布供给至故障率计算单元40。此外，输入应力计算单元 20计算出的输入应力也未必就是分布的形式，也可以是后述的图3所示 直线式等。

特性值分布计算单元30读出特性值文件。特性值文件是记述有对 象装置所使用的部件的强度等特性值的文件。在特性值文件中记述有取 样多个对象装置的对应部件，并计测出各部件的应力大小的计测值。应 力的计测例如通过一般的拉伸测试等进行。特性值分布计算单元30根 据特性值文件计算将横轴作为应力将纵轴作为发生频率的特性值分布。 特性值分布计算单元30将计算出的特性值分布供给至故障率计算单元 40。

此外，在上述说明中，各单元(关系式计算单元10、输入应力计算 单元20、特性值分布计算单元30)读出了文件形式的信息，但并不一 定局限于此，例如也可以读出储存于数据库的各数据。

另外，在上述说明中，特性值分布计算单元30根据特性值文件计 算对象装置的特性值分布，但并不一定局限于此。例如，也可以是记述 了特性值分布的输入文件直接对可靠性设计辅助装置1输入的构成。

故障率计算单元40根据输入应力分布与特性值分布的重复，计算 对象装置的故障率。故障率的计算方法的详细参照图2后述。故障率计 算单元40将计算出的故障率输出至任意的输出单元(例如显示器装置)、 存储装置(例如文件系统)。

接着，参照图2，来对可靠性设计辅助装置1的第一动作例进行说 明。图2是表示可靠性设计辅助装置1的第一动作例的概念图。在以下 的说明中，对象因素是用户的体重。用户的体重是按照每个用户而不同 的因素。

关系式计算单元10读出应力计测值文件的所有数据列。在该数据 列中例如体重Xkg的用户和体重Xkg的用户使用了对象装置的情况下 的应力计测值被相关联地记载。关系式计算单元10通过将应力计测值 文件的所有数据列作为响应曲面法等的近似方法的解析对象，来计算关 系式(图2(A))。

另外，输入应力计算单元20读出表示图2(B)所示那样的体重分 布的统计信息的指标数据文件。这里，指标数据文件是根据对象装置的 用途而适当记述的文件即可。例如，在对象装置仅日本人使用的情况下， 也可以不使用全人类的体重的概率密度分布，而使用日本人的体重的概 率密度分布。

输入应力计算单元20通过进行使用了关系式(图2(A))和体重分 布的统计信息(图2(B))的已知解析(例如利用蒙特卡洛方法的解析) 来计算输入应力分布(图2(C))。所谓输入应力分布是如上述那样表 示应力大小与发生频率之间的关系的分布。

特性值分布计算单元30进行使用于对象商品的部件的强度分析， 计算部件的特性值分布(例如强度分布)(图2(D))。这里，所谓部件 的特性分布是指如图2(D)所示表示应力大小与故障的发生频率之间 的关系的分布。

故障率计算单元40对照输入应力分布(图2(C)、图2(D))和特 性值分布(图2(D))，计算故障率。详细而言，故障率计算部40计算 两分布的重复部分与部件的特性值分布的全体之比作为故障率。即故障 率计算部40通过进行将部件的全体个数作为分母，将重复部分的部件 个数作为分子的计算，来计算故障率。

接着，参照图3对可靠性设计辅助装置1的第二动作例进行说明。 图3是表示可靠性设计辅助装置1的第二动作例的概念图。在以下的说 明中，对象因素为使用了对象装置的用户的生活环境的温度。生活环境 的温度也是根据用户的使用状态而变化的因素。

关系式计算单元10读出应力计测值文件的所有数据列。在该数据 列中例如温度与在该温度中使用了对象装置的情况下的应力计测值被 建立关联地记载。关系式计算单元10通过将应力计测值文件的所有数 据列作为响应曲面法等的近似方法的解析对象，来计算关系式(图3 (A))。

输入应力计算单元20读出指标数据文件。例如指标数据文件中记 述有多个在对象装置的使用场所中测定出的温度数据。输入应力计算单 元20在该温度数据中提取最大值(是最高温度，表示最差值。)(图3 (B))。输入应力计算单元20通过将提取出的最大值代入关系式(图3 (A))，来计算表示输入应力最大值的阈值直线(图3(C))。

故障率计算单元40对照表示输入应力最大值的阈值直线(图3(C)、 图3(D))和特性值分布(图3(D))，来计算故障率。故障率计算单 元40如图示那样基于应力比阈值直线小的范围来计算故障率。

接着，参照图4，对可靠性设计辅助装置1的第三动作例进行说明。 图4是表示可靠性设计辅助装置1的第三动作例的概念图。在以下的说 明中，对象装置为小型移动可动装置。另外，对象因素是使用对象装置 时的速度分布。该动作例与参照图2说明的第一动作例相比，仅指标数 据文件不同，所以以下对于指标数据文件的内容进行说明。

在指标数据文件中，记载有如图4(B)所示上限值(最大速度)受 到对象装置内部控制的限制的速度分布。输入应力计算单元20通过进 行使用了关系式(图4(A))和速度分布(图4(B))的已知解析(例 如利用蒙特卡洛方法的解析)，来计算输入应力分布(图4(C))。

接着，参照图5对使用了可靠性设计辅助装置1的风险评估的一个 方法进行说明。首先，设计者假定成为风险评估对象的对象装置的用户 (或者有可能与对象装置接触的人)(S1)。然后，设计者明确化假定的 用户(或者有可能与对象装置接触的人)的使用方法以及可以预见的错 误使用(S1)。

接下来，设计者确定由于对象装置的使用以及错误使用而引起的举 动作为原因而产生的障碍(S3－1)。然后，设计者基于障碍给予用户的 影响，来估计风险的程度(S3－2)。接着，设计者基于估计出的风险的 程度、对象装置的出厂预定台数等，定义能够允许的风险的发生频率、 即允许故障率(S4)。例如设计者将允许故障率定义为对于对象装置的 所有出厂预定台数1台也不给予用户较大影响的概率。

与S3－1～S4的工序并行地，设计者进行上述可靠性设计辅助装置 1的设定(S2－1－a)。然后，设计者进行要输入可靠性设计辅助装置1 的各种文件(指标数据文件、应力计测值文件、特性值文件)的准备。

可靠性设计辅助装置1通过上述方法计算故障率，比较计算出的故 障率和允许故障率。设计者适当地调整对象装置的设计，直至计算出的 故障率变得比允许故障率小。此外，用于处理该允许故障率的可靠性设 计辅助装置1在图1的构成的基础上，在故障率计算单元40的后段具 有故障率评价单元(未图示)即可。故障率评价单元比较故障率计算单 元40计算出的故障率和设计者输入的允许故障率。

接下来，参照图6对可靠性设计辅助装置1的硬件构成进行说明。 作为硬件，可靠性设计辅助装置1具有输入装置110、CPU(Central  Processing Unit：中央处理单元)120、ROM(Read Only Memory：只 读存储器)130、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器) 140、以及输出装置150。此外，图6所示的构成是一个例子，也可以是 其他的构成。另外，也可以可装卸地构成USB(Universal Serial Bus： 通用串行总线)存储器等存储装置。

输入装置110是键盘、鼠标等信息输入装置。ROM130是BIOS (Basic Input/Output System：基本输入输出系统)、IPL(Initial  Program Loader：初始程序装入程序)等存储所使用的存储装置。 RAM140是保持程序且被使用为执行程序的CPU120的工作区域等的存 储器。CPU120进行程序的读取以及执行，进行向输出装置150的输出 控制。输出装置150是通过CPU120的控制输出运算处理结果等的装置。 输出装置150例如是液晶显示器装置、打印机装置等。

接着，对本实施方式的可靠性设计辅助装置1的效果进行说明。可 靠性设计辅助装置1基于如上述那样根据每个用户或者对象装置的使用 环境而变化的对象因素的概率分布、最大值/最小值计算输入应力(例 如图2(C)、图3(C))。然后，可靠性设计辅助装置1使用该输入应 力来计算对象装置的故障率。即，可靠性设计辅助装置1进行考虑了因 素值的变化的输入应力的计算。因此，可靠性设计辅助装置1也能够在 根据用户、环境而变化的变化因素对于输入应力占主导的情况下，进行 适当的故障率的计算。尤其是，可靠性设计辅助装置1在体重、身高等 身体特征对于输入应力给予较大影响的人体辅助设备(例如电动自行 车、小型移动可动装置、安装型机器人等)作为对象的情况下，也能够 准确地计算其故障率。由此，能够进行实现了高可靠性并且低成本的对 象装置的设计。

可靠性设计辅助装置1能够如图2所示那样考虑用户的身体特征 (体重、身高等)对象因素来计算故障率。在该情况下，可靠性设计辅 助装置1能够根据总体参数较大的统计概率密度分布，即可靠性高的分 布，来计算输入应力分布。因此，可靠性设计辅助装置1能够计算可靠 性高的输入应力分布。因此，可靠性设计辅助装置1能够高精度地计算 故障率。

可靠性设计辅助装置1也能够如图3所示那样，根据对象因素的最 大值(最差值)来计算故障率。由此，可靠性设计辅助装置1能够计算 考虑了对象装置在最恶劣的环境下使用的情况(例如在最高温度下使用 的情况合)的故障率。通过评价该故障率，能够实现更安全的商品设计。 此外，在上述说明中，使用了对象因素的最大值，但并不一定局限于此， 例如也可以根据因素的性质来计算考虑了最小值的故障率。

＜实施方式2＞

本实施方式的可靠性设计辅助装置1的特征在于，进行考虑了使用 于对象装置的部件的形状特性的故障率计算。以下对于本实施方式的可 靠性设计辅助装置1，对与实施方式1不同的点进行说明。此外，在以 下的说明中，与实施方式1相同的处理部标注相同名称以及相同附图标 记，省略其详细的说明。

图7是表示本实施方式的可靠性设计辅助装置1的构成的框图。本 实施方式的可靠性设计辅助装置1是在图1的构成的基础上，还具备输 入应力分布调整单元50的构成。

输入应力计算单元20用上述方法计算应力分布。此时，输入应力 计算单元20用牛顿单位的值计算横轴的应力，计算将纵轴作为发生频 率的输入应力分布，将该输入应力分布供给至输入应力调整单元50。

对于输入应力调整单元50，除了上述的输入应力分布以外，还输入 有部件形状文件。部件形状文件是储存有表示构成对象装置的部件的形 状的数据的文件。关于该部件形状文件，数据(部件形状数据)以能够 使用于后述的有限元分析的格式储存。

输入应力调整单元50基于部件形状文件和输入应力分布进行有限 元分析，来计算调整完毕的输入应力分布。该输入应力分布是用兆帕 (Mpa)单位的值计算横轴的应力，将纵轴作为发生频率的分布。输入 应力调整单元50将使用部件形状文件调整后的输入应力分布(将横轴 的应力作为兆帕(Mpa)单位的应力分布)供给至故障率计算单元40。 故障率计算单元40用与实施方式1相同的方法计算故障率即可。

接着对本实施方式的可靠性设计辅助装置1的效果进行说明。如上 述那样在本实施方式中，计算也考虑了使用于对象装置的部件形状的输 入应力分布。由此，本实施方式的可靠性设计辅助装置1能够实现更高 精度的故障率的计算。

上述的实施方式1以及实施方式2的可靠性设计辅助装置1的各单 元(关系式计算单元10、输入应力计算单元20、特性值分布计算单元 30、故障率计算单元40、输入应力调整单元50)通过CPU120以程序 的形式执行。程序能够使用各种类型的非暂时性计算机可读介质 (non-transitory computer readable medium)来储存，并供给至计算机。 非暂时性计算机可读介质包括各种类型的有实体的记录介质(tangible  storage medium)。非暂时性计算机可读介质的例子包括磁记录介质(例 如软盘、磁带、硬盘驱动器)、光磁记录介质(例如光磁盘)、CD－ROM (Read Only Memory)、CD－R、CD－R/W、半导体存储器(例如， 掩膜ROM、PROM(Programmable ROM：可编程只读存储器)、EPROM (Erasable PROM：可擦可编程只读存储器)、闪存ROM、RAM(random  access memory：随机存取存储器))。另外，程序也可以通过各种类型 的暂时性计算机可读介质(transitory computer readable medium)供 给至计算机。暂时性计算机可读介质的例子包括电信号、光信号、以及 电磁波。暂时性计算机可读介质能够经由电线以及光纤等有线通信路、 或者无线通信路将程序供给至计算机。

以上，根据上述实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不局 限于上述实施方式的构成，当然包括本领域技术人员能够在本申请权利 要求书的权利要求的发明的范围内进行的各种变形、修正、组合。

该申请主张于2013年2月21日提出的日本专利申请2013－031747 的优先权，并在此引用其全部公开内容。

附图标记说明

1...可靠性设计辅助装置；10...关系式计算单元；20...输入应力计算单 元；30...特性值分布计算单元；40...故障率计算单元；50...输入应力调 整单元；110...输入装置；120...CPU；130...ROM；140...RAM；150... 输出装置。